DE60315260T2

DE60315260T2 - Stirling-Motor einschließend Rekuperatorhitzer

Info

Publication number: DE60315260T2
Application number: DE60315260T
Authority: DE
Inventors: Donald Murray Clucas
Original assignee: Whisper Tech Ltd
Current assignee: Whisper Tech Ltd
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: ATE368800T1; EP1481155B1; CA2481547A1; DK1481155T3; DE60315260D1; AU2003208681A1; CN1650101A; NZ517441A; EP1481155B9; EP1481155A1; EP1481155A4; CN1650101B; US7168234B2; CA2481547C; WO2003072921A1; ES2291617T3; US20050188692A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Stirlingmaschine, die eine rekuperative Heizvorrichtung enthält, und insbesondere auf eine rekuperative Heizvorrichtung mit einem Abgaswärmetauscher. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Heizvorrichtung zum Zuführen von Arbeitswärme zu einer Stirlingmaschine, die in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem verwendet wird.
Stand der Technik
Eine Anzahl von thermodynamischen Maschinen mit geschlossenem Kreislauf arbeitet mit Wärme einer hochwertigen Quelle, typischerweise in Form eines Fossilbrennstoff-Brenners, um direkt einen Wärmetauscher oder einen Heizkopf zu heizen, der in Baueinheit mit der Maschine ausgebildet ist. Eine Stirlingmaschine ist ein Beispiel einer solchen thermodynamischen Maschine mit externer Verbrennung.
Stirlingmaschinen sind für Kraft-Wärme-Kopplungsanwendungen (oder kombinierte Wärme- und Kraftanwendungen) gut geeignet und bieten signifikante potenzielle Vorteile. Stirlingmaschinen weisen ein externes Verbrennungssystem mit geringen Emissionen auf, was die Verwendung einer Vielzahl von Brennstoffen erlaubt, verhindert, dass innere Teile durch die Verbrennungsprodukte beeinträchtigt werden, und einen leisen Betrieb bewirkt. Um jedoch diese Vorteile in Systemen für den Massenmarkt zu verwirklichen, sind nicht nur Probleme der Betriebslebensdauer, der Geräu sche und der Emissionen wichtig, sondern es sind auch die Effizienz der Kraftstoffnutzung und die Erhaltung eines kühlen Maschinenraumes Schlüsselaspekte. Für eine maximale Effizienz ist es notwendig, einen Teil der latenten sowie der sensiblen Wärme des Wasserdampfes zurückzugewinnen, der im Verbrennungsprozess gebildet wird. Außerdem sind insbesondere für Haushaltsanwendungen die Größe, die Kosten, die Einfachheit der Konstruktion und die Wartung der Systeme sehr bedeutende Aspekte.
Ein Brenner des Entwurfs des Anmelders für die Verwendung in einer Stirlingmaschine ist in WO/9940309 beschrieben. Das darin verwendete Heizsystem ist ein System, in welchem die Verbrennungsprodukte aus dem Brenner zuerst durch einen Wärmetauscher oder einen Heizkopf geschickt werden, um Wärme auf das Arbeitsfluid der Stirlingmaschine zu übertragen. Dieser Kompaktbrenner stellt ein rekuperatives Wärmetauschermittel in einer Vorrichtung zur Verfügung, die wirtschaftlich hergestellt werden kann. Bei Gebrauch in einem Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungssystem gelangen die Abgase aus dem Brenner zu einem separaten (vorzugsweise kondensierenden) Abgaswärmetauscher für die Erzeugung von heißem Wasser zur Raum- und Trinkwassererwärmung.
Dieser Konfigurationstyp weist jedoch Nachteile in diesem und anderen Systemen auf, die einen herkömmlichen Abgaswärmetauscher verwenden. Die Nachteile entstehen hauptsächlich durch den Einbau des Wärmetauschers als eine nachträgliche Ergänzung der Maschine, statt als integrales Maschinengestaltungselement. Die Nachteile in herkömmlichen Systemen umfassen insbesondere:

– Der Wärmetauscher erfordert eine Verbindung zum Maschinenauslass über eine bestimmte Form von Verbindung oder Kanal. In einer typischen Konfiguration ist ein starr montierter Wärmetauscher mit einer auf Schwingungsisolatoren montierten Maschine verbunden, weshalb eine flexible Auslassverbindung erforderlich ist. Die Komplexität und die Kosten der Herstellung einer zuverlässigen Auslassverbindung werden durch die rauen Umgebungsbedingungen erhöht, die die Wirkungen von korrosiven Hochtemperaturabgasen enthalten.
– Wärme geht direkt aus der Verbindung verloren. Die inhärenten Gestaltungseinschränkungen einer nicht-integrierten flexiblen Auslassverbindung beeinträchtigen die effiziente Verhinderung von Wärmeverlusten.
– Eingeschränkte und/oder ungleichmäßige Gasströmung.
– Erhöhte Fertigungs- und Betriebssystemkomplexität und somit Kosten.
– Wärme wird nur aus den Abgasen und nicht aus anderen erhitzten Maschinenoberflächen/Komponenten zurückgewonnen.
– Es ist eine separate Wärmeisolation erforderlich, die die Maschine umgibt, um Wärmeverluste und unerwünschte hohe Außenoberflächentemperaturen zu verhindern.
– Zusätzliche Wärmetauscherfluidverbindungen sind notwendig.
– Erhöhte Systemabmessungen
– Erhöhtes Systemgewicht

Das US-Patent Nr. 3.717.993 offenbart eine Luftvorheizvorrichtung für eine Maschine mit externer Verbrennung, in der ein vielwandiger Wärmetauscher um die Brennkammer die Einlassluft für die Brennkammer vorheizt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Probleme zu lösen, oder wenigstens der Öffentlichkeit eine nützliche Wahlmöglichkeit zur Verfügung zu stellen.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung, die lediglich beispielhaft gegeben wird.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Stirlingmaschine geschaffen, die eine rekuperative Heizvorrichtung enthält, wie in Anspruch 1 definiert ist.
Es ist ferner davon auszugehen, dass das Fluid irgendein strömungsfähiges Gas oder eine Flüssigkeit sein kann, die fähig ist, eine thermische Wärmeübertragung von Wärme weg vom beheizten Verbrennungsabschnitt zu bewerkstelligen, und nicht auf Wasser, Öl und Luft beschränkt ist.
Durch Einbauen des Abgaswärmetauschers in eine Stirlingmaschine gemäß der obigen Konfiguration werden zahlreiche Vorteile verwirklicht.
Erstens, nahezu die gesamte im Verbrennungsabschnitt erzeugte Wärme kann in das Wärmetauscherfluid fließen und somit die Effizienz der aus dem Brennstoff gewonnenen Energie signifikant erhöhen.
Zweitens, wenn der Wärmetauscher als ein starr befestigter Abschnitt der Maschinenstruktur ausgebildet werden kann, besteht keine Notwendigkeit für eine flexible Verbindung zwischen dem Wärmetauscher und dem Verbrennungsproduktauslass aus dem Verbrennungsabschnitt. Dies kann die Fertigungs- und Systemkosten sowie die Komplexität reduzieren, während die Zuverlässigkeit verbessert wird.
Statt einer asymmetrischen Gewichtsbelastung, die der Maschine durch die Verbindung eines externen Wärmetauschers mit dem Hochtemperaturverbrennungsabgasauslass mit oder ohne einer flexiblen Verbindung auferlegt wird, kann ferner der Wärmetauscher so konfiguriert sein, dass er der Maschine eine gleichmäßige Belastung auferlegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist somit der Fluidwärmetauscher um den Verbrennungsabschnitt angeordnet, um der Maschine eine symmetrische Gewichtsbelastung aufzuerlegen.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik umfassen:

– die aus dem Wärmetauscher austretenden Abgase weisen eine niedrige Temperatur auf, wobei irgendein flexibler Kanal oder eine flexible Verbindung, die immer noch erforderlich ist, aus kostengünstigen anpassbaren Materialien gebildet sein kann, wie z. B. einem flexiblen Polymer;
– die Strömung der Verbrennungsabgase kann so konfiguriert sein, dass sie gleichmäßig verteilt ist; und
– ein Rekuperator (d. h. ein Wärmetauscher, der die Verbrennungsprodukte nutzt, um ein oder mehrere der Vorverbrennungskomponenten, wie z. B. Luft, vorzuheizen) kann leicht in die Maschinenanordnung eingebaut werden.

Durch wenigstens teilweises Umschließen der Brennkammer und des rekuperativen Wärmetauschers ist das Fluid im Mantel fähig, Wärme zu absorbieren, die ansonsten verloren gehen würde. Das Fluid ist vorzugsweise eine Flüssigkeit (z. B. Wasser), die durch den Mantel zirkuliert. Der Abgaswärmeaustausch findet während eines einzigen axialen Durchlaufs statt, bevor die Verbrennungsprodukte zum Rauchabzug gelangen. Dieser einzelne Durchlauf nähert sich vorzugsweise einer Gegenstromwirkung mit der Fluidströmung durch den Mantel an. Die Verbrennungsprodukte werden vorzugsweise in einen zylindrischen Durchlass neben der Innenwand des Mantels geleitet. Es sind Mittel vorgesehen, um den Wärmeübergang von den Verbrennungsprodukten zu verbessern, die vorzugsweise auf der Innenwand des Wassermantels ausgebildete und in den Abgasdurchlass ragende Rippen umfassen.
Der rekuperative Wärmetauscher enthält vorzugsweise mehrere parallele langgestreckte Kanäle, die abwechselnd Verbrennungsproduktkanäle und dazu benachbarte Einlassluftkanäle für einen Wärmeaustausch zwischen diesen umfassen. Die Kanäle umgeben wenigstens teilweise die Brennkammer, wobei ein erstes Ende jedes Verbrennungsproduktkanals Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer aufnimmt und ein gegenüberliegendes Ende jedes Verbrennungsproduktkanals die Verbrennungsprodukte dem Abgaswärmetauscher zuführt. Die Kanäle sind zwischen zwei koaxialen zylindrischen Oberflächen ausgebildet, die an den Scheitelpunkten einer gewellten dünnen wärmeleitenden Führung anliegen.
Der Abgaswärmetauscher ist vorzugsweise durch einen Isolator von dem Rekuperator-Axialströmungsabschnitt getrennt.
Der rekuperative Wärmetauscher enthält ferner vorzugsweise einen äußeren Raum oder eine äußere Sammelkammer, die zu einer Außenoberfläche der Heizvorrichtung benachbart ist und so ausgelegt ist, dass die in die äußere Sammelkammer geleitete Einlassluft die Außenoberfläche kühlt. Die Außenoberfläche kann eine obere Abdeckung sein, die den Heizköpfen oder dem heißen Ende der Maschine gegenüberliegt, wobei der Wassermantel die Seiten und die Abdeckung der Oberseite der Heizvorrichtung begrenzt. Der rekuperative Wärmetauscher enthält ferner vorzugsweise eine innere Umschließung oder eine innere Sammelkammer, die von der äußeren Sammelkammer durch eine wärmeleitende Wand getrennt ist, wobei die innere Sammelkammer einwärts der äußeren Sammelkammer in einem Raum angeordnet ist, der im Wesentlichen durch eine Wand der Brennkammer und die wärmeleitende Wand begrenzt ist, und so ausgelegt ist, dass Einlassluft aus der äußeren Sammelkammer durch die Kanäle in die innere Sammelkammer geleitet wird, aus der sie in die Brennkammer geleitet wird. Paare von Strömungspfaden zwischen der Verbrennungsluft in der äußeren Sammelkammer und der inneren Sammelkammer, sowie zwischen der Verbrennungsluft in der inneren Sammelkammer und den Verbrennungsprodukten in der Brennkammer nähern sich Gegenstromdurchläufen an.
Im Abgaswärmetauscher werden vorzugsweise die Verbrennungsprodukte gekühlt, um wenigstens einen Teil der Verbrennungsprodukte zu veranlassen, zu kondensieren.
Vorzugsweise ist die Heizvorrichtung auf einer Stirlingmaschine installiert, die einen Teil eines Kraft-Wärme-Kopplungssystems zur Bereitstellung von Wärme und Elektrizität bildet, wobei die Maschine einen elektrischen Generator antreibt und eine von der Maschine und dem Abgaswärmetauscher erhitzte Flüssigkeit einem Heizkreislauf zuführt. Alternativ kann die Heizvorrichtung in anderen Maschinen mit externer Verbrennung verwendet werden, um für eine verbesserte Energieeffizienz innerhalb einer einzigen kompakten Vorrichtung zu sorgen.
Die Heizvorrichtung ist kompakt und kann leicht hergestellt werden. Ohne äußere Isolierung stellen alle äußeren Komponenten keine Verbrennungsgefahr für den Benutzer dar, wobei der Wassermantel die Seiten kühlt und die Sammelkammeranordnung die obere Abdeckung kühlt. Sie ist effektiv und effizient im Betrieb, kann wirtschaftlich konstruiert werden und weist eine insgesamt einfache Gestalt auf, die die Fertigungskosten minimiert und die Leistungsfähigkeit maximiert, und vereinfacht die Wartung, indem eine im Wesentlichen modulare Anordnung geboten wird.
In einer alternativen Ausführungsform können die zusätzlich erhitzten Produkte (typischerweise Luft und/oder Verbrennungsprodukte), die von außerhalb der Maschine zugeführt werden, in die Strömung der Maschinenverbrennungsprodukte eingeleitet werden, die vom Rekuperator zum Abgaswärmetauscher geleitet werden.
Eine solche Konfiguration ist für Haushaltsanwendungen besonders geeignet, bei denen das erhitzte Fluid, das vom Abgaswärmetauscher erzeugt wird, eine Nachkonditionierung durch einen zusätzlichen Brenner erfordert, um die Gesamthaushaltsbedürfnisse zu befriedigen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung deutlich, die lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in welchen:
1 eine Halbschnittseitenansicht durch eine zentrale Ebene der rekuperativen Heizvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist; und
2 eine Teilschnittansicht längs der Linie XX der 1 ist.
Beste Ausführungsformen der Erfindung Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, ist eine erste bevorzugte Ausführungs form der rekuperativen Heizvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung auf einer Stirlingmaschine 2 installiert.
Die in der bevorzugten Ausführungsform gezeigte genaue Konfiguration ist nur ein Beispiel zahlreicher Fertigungskosten und maximiert die Leistungsfähigkeit, und vereinfacht die Wartung, indem eine im Wesentlichen modulare Anordnung geboten wird.
In einer alternativen Ausführungsform können die zusätzlich erhitzten Produkte (typischerweise Luft und/oder Verbrennungsprodukte), die von außerhalb der Maschine zugeführt werden, in die Strömung der Maschinenverbrennungsprodukte eingeleitet werden, die vom Rekuperator zum Abgaswärmetauscher geleitet werden.
Eine solche Konfiguration ist für Haushaltsanwendungen besonders geeignet, bei denen das erhitzte Fluid, das vom Abgaswärmetauscher erzeugt wird, eine Nachkonditionierung durch einen zusätzlichen Brenner erfordert, um die Gesamthaushaltsbedürfnisse zu befriedigen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung deutlich, die lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in welchen:
1 eine Halbschnittseitenansicht durch eine zentrale Ebene der rekuperativen Heizvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist; und
2 eine Teilschnittansicht längs der Linie XX der 1 ist.
Beste Ausführungsformen der Erfindung
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, ist eine erste bevorzugte Ausführungsform der rekuperativen Heizvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung auf einer Stirlingmaschine 2 installiert.
Dabei ist hervorzuheben, dass, obwohl eine Stirlingmaschine in der bevorzugten Ausführungsform gezeigt ist, die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese beschränkt ist. Fachleute können erkennen, dass das Konzept des Integrierens eines Abgaswärmetauschers in die Struktur einer Verbrennungsmaschine gleichermaßen auf Maschinen mit interner sowie externer Verbrennung angewendet werden kann. Ferner ist die in der bevorzugten Ausführungsform gezeigte genaue Konfiguration, nur ein Beispiel zahlreicher möglicher Implementierungen, die ebenso in den Umfang der Erfindung fallen.
Wie in den Zeichnungen gezeigt ist, ist die vorliegende Erfindung in die Struktur einer Stirlingmaschine 2 integriert, die eine Achse A mit vier vertikalen Zylindern 30 in einer quadratischen Anordnung aufweist. Die Hauptkomponenten der Heizvorrichtung 100 sind im Wesentlichen symmetrisch um die Achse A, welche sich parallel zu den Achsen C der Zylinder 30 erstreckt. Die Heizvorrichtung 100 umgibt das heiße Ende oder die Heizvorrichtungsköpfe 3 der Maschine 2 und dient zum Erhitzen einer Brennkammer 1 zum Zuführen von Arbeitswärme zur Maschine 2. Die Heizvorrichtung 100 bildet vorzugsweise einen Teil eines (nicht gezeigten) Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungssystems, wobei elektrischer Strom aus der Maschine 2 gewonnen wird und die Heizvorrichtung 100 ferner einer (nicht gezeigten) Last Wärme zuführt.
Zentral an der Oberseite der Heizvorrichtung 100 positioniert ist ein Brennstoffverteiler 4 (schematisch dargestellt) vorgesehen, durch den Brennstoff (z. B. Erdgas, Dieselöl oder dergleichen) der Brennkammer 1 zugeführt werden kann. Die Brennkammer 1 ist nach außen durch eine gewölbte Brennkammerwand 5a und nach innen durch den Heizkopf 3 der Maschine 2 und einen zentral angeordneten Isolator 31 begrenzt. Die Brennkammerwand 5a ist ein Abschnitt einer Hülle, die auch einen zylindrischen Zwischenabschnitt 5b enthält, der von einem koaxialen Peripherieabschnitt 5c mit größerem Durchmesser umgeben ist.
Ein rekuperativer Wärmetauscher (nicht separat bezeichnet), durch den die Einlassluft geleitet wird, wenn sie vorgeheizt wird, enthält eine innere Kammer oder Sammelkammer 6, ein äußeres Gehäuse oder Sammelkam mer 18 und einen axial verlaufenden Einzeldurchlauf-Luft/Abgas-Gegenstromabschnitt, der abwechselnd Einlassluft- und Abgaskanäle 11 bzw. 12 umfasst (in 2 am besten gezeigt).
Die innere Sammelkammer 6 ist ein Raum, der von der Brennkammer 1 ausgehend nach außen angeordnet ist. Eine zylindrische Wand 8 der inneren Kanäle 11 ist vom zylindrischen Abschnitt 5c radial beabstandet, und ist mit einer aufrechtstehenden konischen Sammelkammerwand 7 verbunden, um die Wand 8 in untere und obere Abschnitte 8a bzw. 8b zu unterteilen. Die innere Sammelkammer 6 ist im Wesentlichen durch Hüllenabschnitte 5a und 5b, den unteren zylindrischen Abschnitt 8a und die konische Sammelkammerwand 7 begrenzt.
Die Einlassluft- und Abgaskanäle 11 und 12 werden von einer gewellten Führung 26 gebildet, die in einem Raum zwischen der zylindrischen Wand 8 und einem radial getrennten zylindrischen Isolator 27 aufgenommen ist. Die Einlassluftkanäle 11 sind auf der Innenseite der Führung 26 ausgebildet, wobei die Scheitelpunkte der Wellen mit der zylindrischen Wand 8 in Kontakt sind, um dazwischen Durchlässe 11 einzuschließen. Die Verbrennungsproduktkanäle 12 sind in ähnlicher Weise auf der Außenseite der Führung 26 ausgebildet und durch den Isolator 27 begrenzt, so dass die Kanäle 11 und 12 sich in Radialrichtung abwechseln und einen Ring bilden, der die Brennkammer 1 umschließt. Das obere Ende der gewellten Führung 26 ist an einer scheibenartigen oberen Abdeckung 17 befestigt, wobei ihr unteres Ende mittels eines Rings 9 mit der unteren Umfangskante der Hülle 5 verbunden ist.
Die äußere Sammelkammer 18 ist ein Raum, der zwischen der konischen Sammelkammerwand 7, dem oberen zylindrischen Abschnitt 8b und einer oberen Abdeckung 17 ausgebildet ist. Die obere Abdeckung 17 umschließt die Oberseite der Heizvorrichtung 100 und nimmt den Brennstoffverteiler 4 auf. Die obere Abdeckung 17 erstreckt sich zwischen den inneren Wassermantelwänden 13 und ist mit einer Dichtung 19 um seinen Umfang versehen. Verbrennungsluft wird durch eine Öffnung 20 in der oberen Abdeckung 17 in die äußere Sammelkammer 18 zugeführt.
Ein (nicht separat bezeichneter) Abgaswärmetauscher zum Extrahieren von Wärme aus den Abgasen weist die Form eines axial verlaufenden Einzeldurchlauf-Abgas/Wasser-Gegenstromabschnitts auf, der einen gerippten Abgasdurchlass 15 und einen benachbarten zylindrischen Wassermantel 16 umfasst. Der Abgaswärmetauscher umgibt wenigstens teilweise die Brennkammer 1 und den rekuperativen Wärmetauscher, um die radial nach außen fließende Wärme aufzufangen.
Die Brennkammer 1 und der rekuperative Wärmetauscher befinden sich innerhalb des Wassermantels 16, der diese teilweise umschließt. Der zylindrische Wassermantel 16 umschließt die Heizvorrichtung 100 und weist innere und äußere Wände 13 bzw. 14 auf. Ein Wassereinlass 23 und ein Wasserauslass 24 sind am oberen bzw. unteren Ende des Wassermantels 16 angeordnet. Der Wassereinlass und der Wasserauslass 23, 24 sind mit einem (nicht gezeigten) Kreislauf verbunden, um der Last Wärme zuzuführen (z. B. zur Raum- oder Trinkwassererwärmung). Ablenkbleche (nicht gezeigt) leiten die Wasserströmung gleichmäßig durch den Wassermantel 16.
Der ringförmige Durchlass 15 ist zwischen der inneren Wassermantelwand 13 und einer zylindrischen Auslassdurchlasswand 10 ausgebildet, die an der Außenfläche des Isolators 27 anliegt. Auf der inneren Wassermantelwand 13 sind Wärmetauscherrippen 25 ausgebildet, die in den Durchlass 15 ragen. Eine Kondensat- und Abgaskammer 21, die einen Rauchabzug 22 aufweist, umringt die Heizvorrichtung 100 an der Basis des Durchlasses 15.
Der Abgaswärmetauscher ist an der Oberseite der Maschine 2 montiert und wird aus dem gegossenen Aluminiumwassermantel 16 und der separat gefertigten Auslassdurchlasswand 10 zusammengesetzt. Der rekuperative Wärmetauscher ist eine Schweißkonstruktion, wobei die Hülle 5, die zylindrische Wand 8, der Ring 9 und die gewellte Führung 26 aus rostfreiem Stahlblech geformt sind. Diese Anordnung wird anschließend axial innerhalb des Abgaswärmetauschers aufgenommen, auf einer Schulter unterstützt, die zwischen den Abschnitten 5b und 5c auf dem Außenring des Isolators 31 ausgebildet ist, und ist um den Heizkopf 3 abgedichtet.
Ausgehend vom kalten Ruhezustand wird zuerst im Startvorgang Brennstoff durch den Brennstoffverteiler 4 längs des Weges F an der Basis des Brennstoffverteilers 4 zugeführt, wobei Brennstoff und Luft gemischt werden und in die Brennkammer 1 geleitet werden, wo das Luft/Brennstoff-Gemisch gezündet und verbrannt wird.
Die Einlassverbrennungsluft strömt in den rekuperativen Wärmetauscher und folgt dem Pfad, der in 1 schematisch mit der Linie I dargestellt ist. Die durch die Öffnung 20 zugeführte Luft tritt in die äußere Sammelkammer 18 ein, kühlt die konische Sammelkammerwand 7 und die obere Abdeckung 17 und gelangt durch den in Umfangsrichtung verlaufenden Spalt zwischen der Führung 26 und der Oberseite des zylindrischen Wandabschnitts 8b in die Durchlässe 11. In den Durchlässen 11 wird die Luft durch die entgegenströmenden Abgase, die die Durchlässe 12 durchlaufen, erhitzt. Am unteren Ende der Durchlässe 11 gelangt die Luft durch eine Umfangsöffnung zwischen dem unteren Wandabschnitt 8a und dem Hüllenabschnitt 5c in die innere Sammelkammer 6. Die Luft in der inneren Sammelkammer 6 streicht über eine Seite der Brennkammerwand 5a, wodurch auf die Wand eine Kühlwirkung ausgeübt wird. Die Luft wird teilweise durch die Brennkammerwand 5a erhitzt und anschließend durch Öffnungen in die Basis des Brennstoffverteilers 4 geleitet, wo sie mit dem Brennstoff gemischt wird, bevor sie in die Brennkammer 1 gelangt, wo sie verbrannt wird.
Die Linie E in 1 repräsentiert schematisch den Weg, dem die Verbrennungsprodukte folgen. Nach Überstreichen des Heizkopfes 3 strömen die Verbrennungsprodukte zuerst zum rekuperativen Wärmetauscher und anschließend durch den Abgaswärmetauscher. Aus der Brennkammer 1 strömen die Verbrennungsprodukte radial nach außen, dann axial, üben auf den Heizkopf 3 der Maschine 2 eine Heizwirkung aus, bevor sie in die Sammelkammer 32 und anschließend durch einen Umfangsspalt zwischen der Isolation 27 und der Führung 26 in das untere Ende der Kanäle 12 gelangen. Die Sammelkammer 32 ist unmittelbar über einem unteren Keramikisolator 33 angeordnet, der die Breite der Brennkammer 1 überspannt und dazu dient, die Maschine vor korrosiven Verbrennungsprodukten und hohen Temperaturen zu schützen.
Das obere Ende der Wand 10 ist von der oberen Abdeckung 17 axial getrennt, wodurch ein Raum geschaffen wird, durch den das Abgas in den Durchlass 15 gelangt. Beim Strömen abwärts durch den Durchlass 15 wird Wasserdampf im Abgas wenigstens teilweise durch die Kühlwirkung des Wassers im Wassermantel 16 kondensiert. Das (nicht gezeigte) Kondensat und die Abgase werden in der Sammelkammer 21 gesammelt, von wo sie durch den Rauchabzug 22 abziehen.
Durch den Wassermantel 16 strömt Wasser in einem Kreislauf (z. B. zu einer nicht gezeigten Last), dessen Weg schematisch durch die Linie W dargestellt ist, die sich zwischen dem Einlass und dem Auslass 23, 24 erstreckt.
Es ist davon auszugehen, dass der Strahlungswärmeübergang und der konvektive Wärmeübergang in der Heizvorrichtung 100 in näherungsweise gegenstromartigen Anordnungen sowohl im rekuperativen Wärmetauscher als auch im Abgaswärmetauscher stattfinden, wobei die Wärme von der inneren Sammelkammer 6 zur äußeren Sammelkammer 18, von der Brennkammer zur inneren Sammelkammer 6 und von den Kanälen 11 zu den Kanälen 12 (für eine rekuperative Erwärmung der Einlassluft) und vom Durchlass 15 zum Wassermantel (für eine Rückgewinnung der Wärme aus dem Abgas) fließt.
Obwohl dargestellt ist, dass der obere Abschnitt der Maschine 2 im Wesentlichen umschlossen ist, ist klar, dass dies hauptsächlich auf der Konfiguration der weiteren Komponenten beruht, die im eigenen Stirlingmaschinenentwurf des Anmelders vorhanden sind (wie in WO/9940309 beschrieben ist). Folglich kann der Abgaswärmetauscher so gestaltet sein, dass er einen größeren Abschnitt der Maschine im Wesentlichen umhüllt, oder sogar diesen vollständig umschließt. Die größte Wärme wird naturgemäß in Bereichen nahe dem Verbrennungsabschnitt der Maschine erzeugt, obwohl es immer noch möglich ist, Wärme von Bereichen zurückzugewinnen, die weiter entfernt vom Verbrennungsprozess angeordnet sind.
Aspekte der vorliegenden Erfindung wurden lediglich beispielhaft beschrieben, wobei davon auszugehen ist, dass Modifikationen und Ergänzungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang derselben, der in den Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Stirlingmaschine, umfassend: Mittel zur Verbrennung von Brennstoff (4) in einer Brennkammer (1), die dafür konfiguriert ist, Wärme zu einem Heizkopf (3) der Maschine zu übertragen; einen rekuperativen Wärmetauscher, der zum Aufnehmen von Verbrennungsprodukten aus der Brennkammer (1) ausgelegt ist, wobei der rekuperative Wärmetauscher Einlassluft in eine Wärmeaustauschbeziehung mit den Verbrennungsprodukten zwingt, um die Einlassluft durch Wärmeübertragung von den Verbrennungsprodukten zu erwärmen, bevor die Einlassluft zur Brennkammer geleitet wird; und einen Abgaswärmetauscher, der zum Aufnehmen der Verbrennungsprodukte aus dem rekuperativen Wärmetauscher ausgelegt ist, wobei der Abgaswärmetauscher ein weiteres Fluid, das ein anderes Fluid als die Einlassluft ist, in eine Wärmeaustauschbeziehung mit den Verbrennungsprodukten zwingt, um das weitere Fluid durch Wärmeübertragung von den Verbrennungsprodukten zu erwärmen, wobei der Heizkopf einen Strömungspfad für das Fluid in den Heizkopf, durch den Abgaswärmetauscher und aus dem Heizkopf definiert, wodurch das weitere Fluid nach der Erwärmung durch die Wärmeübertragung von den Verbrennungsprodukten Wärme zu einer externen Last befördern kann; dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer zwischen dem Heizkopf (3) der Maschine und einer Innenwand (5a) des rekuperativen Wärmetauschers, die sich über den Heizkopf (3) der Maschine erstreckt, definiert ist, wobei der rekuperative Wärmetauscher die Brennkammer umgibt und sich über diese erstreckt und der Abgaswärmetauscher den rekuperativen Wärmetauscher wenigstens teilweise umgibt, so dass Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer zum rekuperativen Wärmetau scher geleitet werden, um die Einlassluft zu erwärmen, und daraufhin zum Abgaswärmetauscher geleitet werden, um das weitere Fluid zu erwärmen, und dadurch, dass der Abgaswärmetauscher einen Mantel (13, 14) enthält, durch den das weitere Fluid geleitet wird und der wenigstens teilweise einen Abgasdurchlass (15) umgibt, durch den die Verbrennungsprodukte geleitet werden, um das weitere Fluid zu erwärmen.
Stirlingmaschine nach Anspruch 1, wobei auf der Innenwand (13) des Mantels (13, 14) Wärmeübertragungsrippen (25) vorgesehen sind, die in den Abgasdurchlass (15) ragen.
Stirlingmaschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 und 2, wobei der rekuperative Wärmetauscher eine Vielzahl paralleler langgestreckter Kanäle (11, 12) umfasst, die abwechselnd Verbrennungsproduktkanäle (12) und dazu benachbarte Einlassluftkanäle (11) für einen Wärmeaustausch zwischen diesen umfassen.
Stirlingmaschine nach Anspruch 3, wobei die Kanäle (11, 12) die Brennkammer (1) wenigstens teilweise umgeben und ein erstes Ende jedes Verbrennungsproduktkanals (12) Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer aufnimmt und ein gegenüberliegendes Ende jedes Verbrennungsproduktkanals (12) die Verbrennungsprodukte dem Abgaswärmetauscher zuführt.
Stirlingmaschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der rekuperative Wärmetauscher wenigstens teilweise von einem Isolator (27) umgeben ist.
Stirlingmaschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der rekuperative Wärmetauscher ferner eine äußere Sammelkammer (18) umfasst, die benachbart zu einer Außenoberfläche der Heizvorrichtung angeordnet und so ausgelegt ist, dass die in die andere Sammelkammer geleitete Einlassluft die Außenoberfläche kühlt.
Stirlingmaschine nach Anspruch 6, die ferner eine innere Sammelkammer (6) umfasst, die von der äußeren Sammelkammer (18) durch eine wärmelei tende Wand (7) getrennt ist, wobei die innere Sammelkammer einwärts der äußeren Sammelkammer in einem Raum angeordnet ist, der im Wesentlichen durch eine Wand der Brennkammer (5a, 5b, 5c) und die wärmeleitende Wand (7) begrenzt ist, und so ausgelegt ist, dass die Einlassluft von der äußeren Sammelkammer (18) durch die Kanäle (11, 12) in die innere Sammelkammer (6) geleitet wird, aus der sie in die Brennkammer (1) geleitet wird.
Stirlingmaschine nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei sich Paare von Strömungspfaden der Einlassluft zwischen der äußeren Sammelkammer und der inneren Sammelkammer, sowie zwischen der Einlassluft in der inneren Sammelkammer und den Verbrennungsprodukten in der Brennkammer Gegenstromdurchläufen annähern.
Stirlingmaschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, die ferner eine Verbindung enthält, die mit einer Wärmequelle außerhalb der Maschine verbindbar ist, wobei die Verbindung ermöglicht, extern erwärmte Produkte zu den Verbrennungsprodukten aus der Brennkammer, die in den Fluidwärmetauscher eintreten, hinzuzufügen.
Kraft-Wärme-Kopplungssystem zur Bereitstellung von Wärme und Elektrizität, wobei das System enthält: eine Stirlingmaschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das System einen Auslass aus dem Abgaswärmetauscher zum Zuführen des weiteren Fluids zu einem Heizkreislauf und einen Einlass in den Abgaswärmetauscher zum Aufnehmen des weiteren Fluids aus dem Kreislauf enthält; und einen Generator, der mit der Stirlingmaschine wirkungsverbunden ist, um elektrischen Strom zu erzeugen.