DE2249741B2 - Erhitzungssystem fuer eine heissgasmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Erhitzungssystem für die Wärmezufuhr zu einem Erhitzer einer Heißgasmaschine, mit einem geschlossenen Raum, in dem mehrere Behälter für wärmespeicherndes, schmelzbares Material angeordnet sind, die wärmedurchlässige Wände aufweisen, über die das wärmespeichernde Material Wärme an ein sich im geschlossenen Raum befindendes Wärmetransportmedium abgibt, das in Betrieb durch einen Verdampfungs-Kondensationsvorgang Wärme von den Behältern zum Erhitzer transportiert, welcher mit den wärmedurchlässigen Behälterwänden über eine poröse Masse mit Kapillarstruktur für die Rückfuhr von Wärmetransportmedium-Kondensat vom Erhitzer zu den Behälterwänden verbunden ist.

Ein solches Erhitzungssystem ist aus Fig. 2 der belgischen Patentschrift 7 58 330 bekannt.

Solche Maschinen, in denen ein Arbeitsmedium einen thermodynamischen Kreislauf ausführt, und welchem Arbeitsmedium durch die Wand eines Erhitzers hindurch von außen Wärme zugeführt wird, sind beispielsweise Heißgasmotoren und Heißgasturbinen.

Das Erhitzungssystem, bei dem in Behältern gespeicherte Wärme mittels eines Verdampfungskondensationsvorgangs eines Wärmetransportmediums zum Erhitzer einer thermodynamischen Maschine transportiert wird, bietet verschiedene Vorteile. Zunächst kann eine große Wärmemenge nahezu ohne Temperaturgefälle ohne Verwendung einer Pumpvorrichtung und

werden. Durch die Anwesenheit der porösen Masse mit Kapillarstruktur erfolgt unter allen Umstanden eine Rückfuhr des am Erhitzer kondensierten Wärmetransportmediums zu den Behältern infolge der Kapillarwirkung unter Verwendung der Oberflächenspannung des Kondensats. Die Kondensatrückfuhr erfolgt mithin sogar entgegen der Schwerkraft oder ohne Schwerkraftwirkung.

Die poröse Masse mit Kapillarstruktur kann etwa aus keramischem Material, aus Gazeschichten aus draht- oder bandförmigem Material, aus Anordnungen von Glasfasern, Röhren oder Stäbchen und aus Nutensystemen in den Wänden, gegebenenfalls in Kombination mit einer der bereits genannten Möglichkeiten, bestehen. Diese poröse Masse kann die Wände des geschlossenen Raums, die wärmedurchlässigen Behälterwände sowie die Erhitzerwand vollständig oder teilweise bedecken.

Als Wärmetransportmedium kommen allerhand Stoffe wie etwa Kalium, Natrium, Kalzium, Lithium, Kadmium, Caesium, Metallgemische usw. in Betracht.

Durch Anordnung des Erhitzers in einem geschlossenen Raum wird ein gedrängtes Ganzes erzielt.

Durch Verwendung von mit wärmespeicherndem Material gefüllten Behältern kann die im genannten Material gespeicherte Wärme zum Betreiben eines Heißgasmotors, an solchen Stellen benutzt werden, an denen keine Rauchgase entwickelt werden dürfen oder an denen für einen normalen Brenner keine Verbrennungsluft zur Verfügung steht (Gruben, Unterseeboote usw.).

Als wärmespeicherndes schmelzbares Material kommt etwa Lithiumfluorid (LiF) in Frage.

Da der Erhitzer von den Behältern mit wärmespeicherndem Material getrennt ist, ist das Volumen der Behälter und mithin ihr Wärmeinhalt im Gegensatz zu solchen Erhitzungssystemen, bei denen der normalerweise aus einer Anzahl von Rohren aufgebaute Erhitzer direkt im wärmespeichernden Material angeordnet wird, nicht begrenzt. Im letzteren Fall sind das Höchstvolumen des betreffenden Behälters und mithin sein maximaler Wärmeinhalt begrenzt, weil die Erhitzungsrohre im Zusammenhang mit der optimalen Wirkungsweise des thermodynamischen Kreislaufs des Arbeitsmediums in der Maschine, das etwa Helium oder Wasserstoff sein kann, an bestimmte maximale Längenabmessungen gebunden sind. Außerdem muß die thermodynamische Maschine dann häufig das Gewicht des Behälters mit wärmespeicherndem Material tragen, was eine schwerere Maschinenkonstruktion notwendig macht.

Das bekannte Erhitzungssystem weist einige Nachteile auf.

Die Behälter sind einzeln mit wärmespeicherndem Material angefüllt, abgeschlossen und gesondert voneinander im geschlossenen Raum angeordnet. Das gesonderte Füllen und Abschließen der Behälter isi zeitraubend und kostspielig und macht das Zusammenbauen des Erhitzungssystems für Massenherstellung weniger geeignet. Da die Behälter gesondert voneinander angeordnet sind, ist das Erhitzungssystem an eine bestimmte Stellung gebunden. Dieser Mangel ar Stellungsunabhängigkeit ist ein schwerwiegender Nachteil für die Anwendungsmöglichkeiten. Eine Stellungs Unabhängigkeit ist etwa in der Raumfahrt oder ii Unterseebooten erwünscht, wo ein mit einem derart: gen Erhitzungssysteni ausgestatteter lleißgasmotor al: Kraftquelle ohne Auslaßgase vorhanden sein kann.

Damit der Vordampfungskondensationsvorgang de; Wärmetransportmediums sich im geschlossenen Raurr gut entwickeln kann, wird dieser Raum normalerweise evakuiert. Ein Problem ist nun. daß in einigen Fällen, ji nach dem gewählten Wärmetransportmedium nicht nui bei Zimmertemperatur sondern auch bei der hoher

Betriebstemperatur des Erhitzungssystems, der Dampfdruck des Wärmetransportmediums im geschlossenen Raum unter dem Umgebungsdruck liegt. Befindet sich beispielsweise Natrium als Wärmetransportmedium in dem evakuierten geschlossenen Raum, so beträgt der Dampfdruck bei 800⁰K 8 Torr (1 Torr ■-■=. 1 mm Quecksilberdruck) und bei 1100⁰K 450 Torr. Dies bedeutet, daß insbesondere bei Erhitzungssystemen, deren geschlossener Raum flache Wände mit großen Abmessungen besitzt, diese Wände einer beträchtlichen mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Namentlich bei hohen Betriebstemperaturen des Erhitzungssystems, bei denen die Steifigkeit dieser Wände beträchtlich niedriger ist als bei Zimmertemperatur, führt dies zu einer Verformung und einem Einreißen der genannten Wände mit drohender Implosionsgefahr des geschlossenen Raums.

Die poröse Masse mit Kapillarstruktur kann sich dabei von den Wänden lösen und derart beschädigt werden, daß sie für die Rückfuhr von Wärmetransportmediumkondensat vom Erhitzer zu den Behältern nicht mehr brauchbar ist.

Dickere und dadurch festere Wände des geschlossenen Raums bzw. Abstützkörper, wie sie aus der US-PS 35 03 438 bekannt sind, sind aus Gründen des Gewichts, Gestehungspreises und der Abmessungen nicht möglich. Auch die einfache Verwendung von Stahlwolle als Abstützmittel, wie sie in der DT-OS 21 28 566 vorgeschlagen wurde, beseitigt nicht die Gefahr einer Verformung der Behälterwände.

Aufgabe der Erfindung ist es, den maximalen Füllgrad der Behälter ausnützen zu können und die Gefahr einer Verformung der Behälterwände zu vermindern, um ein Ablösen der porösen Schicht an den Behälterwänden zu verhindern.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Behälter an eine gemeinsame Zuführleitung für das wärmespeichernde Material angeschlossen sind, in der eine Druckregeleinrichtung für Inertgas angeordnet ist und daß zwischen den Wänden des geschlossenen Raumes und den Behälterwanden sowie zwischen den Behälterwänden eine poröse Füllmasse vorhanden ist, deren Poren größere Abmessungen aufweisen, als die Poren der porösen Masse.

Bei Einführung eines Inertgases, beispielsweise nach dem Füllen der in Serie liegenden Behälter, kann ein Ausgleich der Druckpegel in den verschiedenen Behältern erreicht werden.

Da der Übergang des wärmespeichrrnden Materials in den Behältern von der festen in die flüssige Phase mit einer beträchtlichen Volumenzunahme dieses Materials einhergeht, was zu hohen Drücken in den Behältern führen kann, welche Drücke bei steigender Temperatur des geschmolzenen wärmespeichernden Materials noch weiter ansteigen, wird mit Hilfe der Druckregelanordnting nun dafür gesorgt, daß der Druck in den Behältern innerhalb bestimmter annehmbarer Grenzen bleibt, so daß es möglich ist, den maximalen Füllgrad der Behälter auszunutzen, wodurch die Abmessungen des F.rhit-/ungssystcms und seine Wärmeisolationsverhiste für eine bestimmte wärmespeichernde Leistung minimal sind.

Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird zusammengepreßte Stahlwolle als Füllmasse angewendet. Die Stahlwolle bietet den Vorteil eines niedrigen Preises, sie läßt sich leicht in allerhand Formen zusammendrücken und kann in zusammengcnreßtem Zustand erhebliche Flächendrücke aufnehmen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der als Beispiel in in den

F i g. 1 a, 1 b und 2 Ausführungsformen von Erhitzungssystemen schematisch und nicht maßstabgerecht dargestellt sind, näher erläutert.

In Fig. la ist mit der Bezugsziffer 1 ein Heißgasmotor bezeichnet, der mit einem Erhitzer 2 versehen ist, dem Wärme zugeführt werden muß. Der Erhitzer 2 ist in einem geschlossenen Raum 3 angeordnet. Dieser Raum enthält ferner mehrere Behälter 4 für wärmespeicherndes, schmelzbares Material wie etwa LiF. jeder Behälter 4 besitzt zumindest eine wärmedurchlässige Wand 5. Die Behälter sind hier als Ringzylinder ausgeführt, die im zylindrischen Teilraum 3a des geschlossenen Raums 3 derart angeordnet sind, daß die Ringzylinderachsen zusammenfallen. Im geschlossenen Raum 3 ist außerdem eine Natriummenge des Wärmetransportmediums vorhanden. Der Erhitzer 2 isi mit den wärmedurchlässigen Behälterwänden 5 über eine poröse Masse 6 mit Kapillarstruktur verbunden.

Die Behälter 4 sind alle an eine gemeinsame Zufuhrleitung 7 für Wärmespeicherendes Material angeschlossen, die durch die Wand des geschlossenen Raums 3 hindurch nach außen geführt und dort mit einem Abschluß 8 versehen ist. Außerdem sind alle Behälter an eine gemeinsame Abfuhrleitung 9 angeschlossen, die gleichfalls außerhalb des geschlossenen Raums 3 nach außen tritt und dort mit einem Abschluß 10 versehen ist. Die Behälter sind über Verbindungsleitungen 11 in Serie geschaltet.

Mit einer Druckregelanordnung 12 wird der Druck innerhalb des Behälters 4 über den gesamten auftretenden Temperaturbereich innerhalb bestimmter Grenzen aufrechterhalten. Die Druckregelanordnung 12 umfaßt eine mit einem inerten Gas gefüllte Flasche 13, die über eine Leitung 14, in der sich ein Druckregelventil 15 mit einer Abfuhr 16 befindet, an die gemeinsame Zufuhrleitung 7 angeschlossen ist.

Um die Behälter 4 im zylindrischen Teilraum in des geschlossenen Raums 3 an Ort und Stelle zu halten und dadurch das Erhitzungssystem völlig stellungsunabhängig zu machen, ist eine poröse Masse 17 aus zusammengepreßter Stahlwolle zwischen den Behaltern untereinander und zwischen den den Teilraum 3;) begrenzenden Wänden des geschlossenen Raums J und den Behältern vorhanden. Diese Füllmasse besitzt Poren, deren Abmessungen größer sind als die Poren der porösen Masse 6.

Das Erhitzungssystem umfaßt schließlich ein elektrisches Heizelement 18. das in dem geschlossenen Raum 3, angeordnet ist.

Das Erhitzungssystem kann folgenderweise gebrauchsfertig gemacht werden.

Mit Hilfe des Heizelements (8 wird dem geschlossenen Raum 3 Wärme abgegeben. Hierdurch verdampft das in diesem Raum vorhandene Natrium, so daß das Erhitzungssystem auf hohe Temperatur gebracht wird. An verhältnismäßig kalten Stellen kondensiertes Natrium wird durch die poröse Masse 6 aufgrund der Kapillarwirkung zum Heizelement 18 zurückgeführt, um dort erneut verdampft zu werden. Das Heizelement 18 ist dazu ebenfalls mit der porösen Masse 6 bekleidet, tue örtlich mit der porösen Masse b an den Außenwänden der Behälter 4 verbunden ist. l);i die poröse Füllmasse 17 Poren mit verhältnismäßig großen Abmessungen aufweist, kann der Nairiumdampf nahe/u unbehindert hindurchströmen.

Befindet sich das Erhil/.ungssystem auf der richtigen

Temperatur, so werden die Behälter 4 über die gemeinsame Zufuhrleitung 7 mit flüssigem, wärmespeicherndem Material, etwa geschmolzenen LiF, angefüllt. Die gemeinsame Abfuhrleitung 9 dient dann als Entlüftungsleitung.

Das Füllen erfolgt mit jeweils einer Ladung. Über die Verbindungsleitungen 11 werden die Behälter nacheinander gefüllt. Mit Hilfe eines inerten Gasstromes aus der Gasflasche 13 werden die Behälter danach unter Druck gesetzt, wobei überflüssiges wärmespeicherndes Material durch die gemeinsame Abfuhrleitung 9 abgeleitet wird. Der Pegel des wärmespeichernden Materials reicht dann bis an die Einstecktiefe der Verbindungsleitungen 11 und der gemeinsamen Abfuhrleitung 9. Schließlich wird in den Behältern ein bestimmter inerter Gasdruck eingestellt. Das Druckregelventil 15 sorgt dafür, daß der Inertgasdruck innerhalb bestimmter Grenzen bleibt. Sollte der Druck außergewöhnlich stark ansteigen, so sorgt dieses Ventil dafür, daß über die Abfuhr 16 inertes Gas abgelassen wird. Bei einem zu niedrigen Gasdruck läßt es Gas aus der Flasche 13 zu.

Bei normalem Betrieb gibt das wärmespeicherende Material in den Behältern 4 dem Natrium über die wärmedurchlässige Wände 5 Wärme ab, welches Natrium demzufolge verdampft und in der Dampfphase zum Erhitzer 2 strömt wegen des dort herrschenden niedrigeren Dampfdrucks infolge einer etwas niedrigeren örtlichen Temperatur. Natriumdampf kondensiert unter Wärmeabgabe am Erhitzer 2. Das Natriumkondensat wird danach durch die poröse Masse 6 hindurch zu den wärmedurchlässigen Wänden 5 der Behälter 4 zurückgeführt, um dort erneut verdampft zu werden. Die Rückfuhr des Kondensats erfolgt aufgrund der Kapillarwirkung.

Der Natrium enthaltende geschlossene Raum 3 ist im übrigen evakuiert. Beim Betrieb ist der Natriumdampfdruck beträchtlich niedriger als 1 atm. Die poröse Füllmasse 17 hält nun nicht nur die Behälter 4 an Ort und Stelle, sondern unterstützt auch die großen Wandoberflächen des geschlossenen Raums 3 gegen die von außen darauf ausgeübten Druckkräfte, wodurch die Implosionsgefahr beseitigt wird. Außerdem hält die poröse Füllmasse 17 die poröse Masse 6 größtenteils an Ort und Stelle, so daß dem Transport von Natriumkondensat keine Schwierigkeiten bereitet werden.

F i g. Ib zeigt einen Querschnitt an der Stelle der Linie Ib-Ibin Fig. la.

Fig. 2 zeigt ein Erhitzungssystem, das in großen Zügen gleich dem nach F i g. 1 ist. Für entsprechende Einzelteile werden daher dieselben Bezugsziffern benutzt. Im vorliegenden Fall sind die Behälter 4 nicht in Serie sondern parallel geschaltet, während die Druckregelanordnung 12 aus einem Expansionsgefäß 20 besteht, das über eine Leitung 21, in der sich ein Hahn 22 befindet, an die gemeinsame Zufuhrleitung 7 anschließbar ist. Das Expansionsgefäß 20 ist mit einem als Puffer fungierenden inerten Gas angefüllt.

Bei ansteigendem Druck in den Behältern infolge einer Volumenzunahme des wärmespeichernden Materials, beispielsweise bei Übergang von der festen in die flüssige Phase, wird das Volumen des Puffers aus inertem Gas verkleinert. Bei hinreichend großem Volumen des Expansionsgefäßes 20 bleibt der Druck in den Behältern nahezu unverändert.

Nun können die Behälter gleichzeitig in kurzer Zeit mit flüssigem wärmespeicherndem Material angefüllt werden, nachdem sie evakuiert worden sind.

Die weitere Konstruktion und Wirkungsweise des vorliegenden Erhitzungssystem sind mit dem System nach Fig. la identisch, so daß sich eine Beschreibung erübrigt.

Aus dem vorhergehenden dürfte einleuchten, daß die

ι Erfindung ein wirtschaftliches Erhitzungssystem schafft, das völlig stellungsunabhängig ist und auf schnelle und einfache Weise montiert und mit wärmespeicherndem Material versehen werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Erhitzungssystem für die Wärmezufuhr z\\ einem Erhitzer einer Heißgasmaschine, mit einem geschlossenen Raum, in dem mehrere Behälter für wärmespeicherndes, schmelzbares Material angeordnet sind, die wärmedurchiässige Wände aufweisen, über die das wärmespeichernde Material Wärme an ein sich im geschlossenen Raum befindendes Wärmetransportmedium abgibt, das in Betrieb durch einen Verdampfungs-Kondensationsvorgang Wärme von den Behältern zum Erhitzer transportiert, welcher mit den wärmedurchlässigen Behälterwänden über eine poröse Masse mit Kapillarstruktur für die Rückfuhr von Wärmetransportmedium-Kondensat vom Erhitzer zu den Behälterwänden verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter (4) an eine gemeinsame Zufuhrleitung (7) für das wärmespeichernde Material angeschlossen sind, in der eine Druckregeleinrichtung (12) für Inertgas angeordnet ist und daß zwischen den Wänden des geschlossenen Raumes (3) und den Behälterwänden sowie zwischen den Behälterwänden eine poröse Füllmasse (17) vorhanden ist, deren Poren größere Abmessungen aufweisen, als die Poren der porösen Masse (6).

2. Erhitzungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Füllmasse (17) aus zusammengepreßter Stahlwolle besteht.