DE19904923A1 - Wärme- und Kältemaschine, insbesondere Vuilleumier-Wärmepumpe oder Stirling-Maschine - Google Patents
Wärme- und Kältemaschine, insbesondere Vuilleumier-Wärmepumpe oder Stirling-MaschineInfo
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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 einem großen Modulationsbereich der Leistung dennoch ein kompakter Aufbau der Maschine erreicht.
Description
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 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-Ge
misch 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 ent
sprechender 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 Porenbrenner 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 zylinderförmig 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 Porenbrenners 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 Ma
schine 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 er
reicht.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß der Poren
brenner 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-Si
cherungskörper 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-Siche
rungskörpers entspricht.
Die Abfuhr des Abgases wird in einem Fall dadurch sichergestellt, daß die Brenn
kammer 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 Porenbren
ners 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 Quer
schnitt 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 Porenbren
ner, 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 Stirling-Maschine
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 Stirn
seite eine konkave Aufnahme 21 auf, in die ein Porenbrenner 10 eingesetzt ist.
Der Porenbrenner 10 ist zylinderförmig und kann als Drahtgeflecht, poröser Kera
mikkörper 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 Außen
fläche des Porenbrenners 10 mit Ausnahme der Einströmfläche für das Gas-Luft-
Gemisch, die durch einen plattenförmigen, porösen Rückschlag-Sicherungskör
per 11 abgedeckt ist. Dem Rückschlag-Sicherungskörper 11 kann eine Verteiler
kammer 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 Porenbrenner 10 und verbrennt dort nach einer (nicht dargestellten)
Zündung.
Im Bereich der Einströmfläche des Porenbrenners 10 vervollständigt ein Gehäu
seteil 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 Poren
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 Zen
trum des Porenbrenners 10 ist ein topfartiger, poröser Rückschlag-Sicherungs
körper 11 eingesetzt, über den das Gas-Luft-Gemisch zugeführt wird. Im übrigen
unterschiedet sich das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nicht vom Ausführungs
beispiel nach Fig. 1. Dabei kann die Ausgestaltung auch zwischen beiden Aus
führungsbeispielen variieren und im Abstand oder ausgefülltem Volumen des Po
renbrenners 10 angepaßt werden.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 und 4 ist der Erhitzerkopf 20
zylinderförmig und wird von einem hohlzylinderförmigen Porenbrenner 10 um
schlossen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird ein Gehäuseteil 15 über die freie
Stirnseite des Erhitzerkopfes 20 aufgestülpt, das die Außenmantelfläche des Po
renbrenners 10 bis auf die untere Stirnseite abdeckt, die als Einströmfläche für
das Gas-Luft-Gemisch ausgenützt wird und mittels eines porösen, ringförmigen
Rückschlag-Sicherungskörpers 11 abgedeckt ist. Das Gehäuseteil 15 ist mit dem
Abgas-Auslaß AG versehen. Ein Teil des Gehäuseteils 15, insbesondere im Be
reich der Außenmantelfläche des Porenbrenners 10 kann als Wärmetauscher 30
ausgebildet sein. Die durchfließende Flüssigkeit kann z. B. als Brauchwasser ver
wendet werden. Der Rückschlag-Sicherungskörper 11 kann auch bei dieser Aus
gestaltung mit einer vorgeordneten Verteilerkammer für das Gas-Luft-Gemisch
kombiniert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird die Außenmantelfläche des Poren
brenners 10 als Einströmfläche für das Gas-Luft-Gemisch verwendet, wobei das
Gehäuseteil 15 in diesem Bereich als poröser Rückschlag-Sicherungskörper 11
ausgelegt ist und mit einer Verteilerkammer kombiniert sein kann.
Auch bei diesen Ausführungsbeispielen 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 beeinflussen.
Claims (9)
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 Brenn kammer 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 Er hitzerkopf (20) erfolgt.
daß der Erhitzerkopf (20) selbst eine konkave Aufnahme (21) als Brenn kammer 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 Er hitzerkopf (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) zylinderförmig 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 mittels Konvektion und Strahlung an den Er hitzerkopf (20) erfolgt.
daß der Erhitzerkopf (20) zylinderförmig 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 mittels Konvektion und Strahlung an den Er hitzerkopf (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 Kältemaschine 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 (11) dem Porenbrenner (10) zuführbar ist, der die Ein
strömfläche desselben überdeckt.
6. Wärme- und Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Rückschlag-Sicherungskörper (11) eine Verteilerkammer vorge
ordnet ist, deren Ausgangsquerschnitt dem Eingangsquerschnitt des
Rückschlag-Sicherungskörpers (11) entspricht.
7. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennkammer im Bereich der Einströmfläche des Porenkörpers
(10) und des Rückschlag-Sicherungskörpers (11) 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-Aus
laß (AG) abgedeckt ist, das im Bereich der Einströmfläche des Poren
brenners (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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