DE1576895C

DE1576895C - Hot gas engine or gas refrigeration machine

Info

Publication number: DE1576895C
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr.-Ing.; Hohenhinnebusch Wilhelm Dr.-Ing.; 4300 Essen Fezer
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Publication date: 1972-11-09

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heißgaskr; maschine,' bei der zwei untereinander in offener V bindung stehende, zueinander phasenverschob volumenveränderliche Arbeitskammern von V drängermaschinen eine insgesamt gleichbleibei Arbeitsmittelmenge enthalten, der Inhalt der ein heißen Arbeitskammer durch einen als Heizer a gebildeten Wärmetauscher auf einer höheren Tem ratur, der Inhalt der anderen kalten Arbeitskämr durch einen als Kühler ausgebildeten Wärmetausc auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird u in der offenen Verbindung zwischen der heißen ι der kalten Arbeitskammer ein Regenerator angeo net ist.The invention relates to a hot gas valve; machine, 'with the two in open V bonded, phase-shifted, volume-variable working chambers of V drängermaschinen contain an overall constant amount of work equipment, the content of a hot working chamber through a heat exchanger formed as a heater a at a higher temp temperature, the contents of the other cold work chamber through a heat exchanger designed as a cooler is kept at a lower temperature u in the open connection between the hot ι a regenerator is attached to the cold working chamber.

Eine derartige Heißgaskraftmaschine ist aus · deutschen Patentschrift 872 693 bekannt.Such a hot gas engine is known from German Patent · 872,693.

Derartige Maschinen sind als Hubkolbenmaschii mit Kurbeltrieb oder Taumelscheibentrieb bekar Sie weisen den Nachteil auf, daß sie wegen der forderlichen Voreilung der Bewegung der heil Kolbenanordnung gegenüber der der kalten eine u fangreichere und aufwendigere Massenausgleichv richtung benötigen, als sie für Hubkolbenmaschii ohnehin schon erforderlich ist. Eine Heißgas-Dr kolbenmaschine ist Gegenstand des deutschen Pate 1 264 866, bei der jedoch das Arbeitsmedium seil Arbeitsraum nicht verläßt, so daß die den Arbe raum umschließenden Wandungen erheblichen Tc peraturwechselbelastungen ausgesetzt sind.Such machines are called Hubkolbenmaschii with crank drive or swash plate drive they have the disadvantage that they because of the Required advance of the movement of the healing piston assembly compared to that of the cold one u Need more catchy and more complex mass balancing device than for Hubkolbenmaschii is already required anyway. A hot gas piston machine is the subject of the German godfather 1 264 866, in which, however, the working medium rope does not leave the working space, so that the work The walls surrounding the room are exposed to considerable temperature fluctuations.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, e Heißgas-Kraftmaschine zu schaffen, bei. der ro rende Bauteile mit möglichst gleichbleibender th mischer Belastung Verwendung finden.It is an object of the present invention to provide a hot gas engine. the ro rend components with the same thermal load as possible are used.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch löst, daß die Verdrängermaschinen als innenachs Rotationskolbenmaschinen mit Schlupfeingriff 1: am Kolben angeordneten Radialdichtungen ausge! det sind, der Kolbeninnenraum durch radiale Trei wände zwischen den achsnahen Zonen der Kolb< flanken und der Kolbennabe in Teilräume unterti sind, die öffnungen in den Kolbenflanken 1: Wärmetauscher zum Heizen bzw. Kühlen des Arbe^; mittels aufweisen, die beiden Kolben durch ein V bindungsteil drehsteif miteinander verbunden si und das Verbindungsteil den Teilräumen der KoIl entsprechende Sektoren aufweist, wobei in jed Sektor der Regenerator angeordnet ist.According to the invention, this object is achieved in that the displacement machines are designed as internal-axis rotary piston machines with slip engagement 1: radial seals arranged on the piston! The piston interior is subdivided into subspaces by radial Trei walls between the zones near the axis of the piston flanks and the piston hub, the openings in the piston flanks 1: heat exchanger for heating or cooling the work ^; by means of which the two pistons are connected to one another in a torsionally rigid manner by a connecting part and the connecting part has sectors corresponding to the subspaces of the column, the regenerator being arranged in each sector.

Durch eine solche Ausbildung wird eine verhi nismäßig einfache Verwirklichung des Prinzips 1 Heißgasmaschine ermöglicht. Die Maschine hat eil hohen mechanischen Wirkungsgrad, der noch ü den einer Rotationskolbenmaschine mit innerer V brennung hinausgeht, da die verwendeten Rotatio kolbenanordnungen entweder heiß oder kalt sind,Such a design enables a relatively simple implementation of principle 1 Hot gas machine enables. The machine has a high mechanical efficiency which is still above that of a rotary piston machine with internal combustion, since the rotatio piston assemblies are either hot or cold,

wesentlicher Temperaturwechsel innerhalb der einzelnen Rotationskolbenanordnungen nicht stattfindet und damit ein die mechanischen Reibungsverluste erzeugendes Verziehen von Bauteilen ausgeschlossen ist.significant temperature change does not take place within the individual rotary piston arrangements and thus a distortion of components causing mechanical frictional losses is excluded.

Gemäß einem weiteren Schritt der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, daß eine zusätzliche Beheizung bzw. Kühlung des Mantels und der Seitenteile erfolgt.According to a further step of the present invention, it is proposed that additional heating or cooling of the jacket and the side parts takes place.

Weiterhin empfiehlt es sich, daß die Öffnungen in den Kolbenflanken vor- bzw. nachversetzt sind. Dadurch ist die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den Volumenänderungen in der heißen und kalten Anordnung jedenfalls zum größten Teil auf einfachste Weise erzielt. Da über den betreffenden Sektor jeweils einander gegenüberliegende Teilräume miteinander verbunden sind, jeder Teilraum der kalten Anordnung aber jeweils in eine Arbeitskammer mündet, die gegenüber der Arbeitskammer, in die der zugeordnete Teilraum der heißen Anordnung mündet, die nächstfolgende ist, beträgt die Voreilung der Volumenänderung in der heißen Anordnung infolge der vorgeschlagenen Maßnahme 180° Exzenterwinkel. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Maschinengehäuse deckungsgleich sind.Furthermore, it is recommended that the openings in the piston flanks are set before or after. Through this is the required phase shift between the volume changes in the hot and cold arrangement achieved in any case for the most part in the simplest way. Because about the concerned Sector in each case opposing sub-spaces are connected to each other, each sub-space the cold Arrangement, however, opens into a working chamber opposite the working chamber into which the assigned subspace of the hot arrangement opens, which is the next one, is the advance of the Volume change in the hot arrangement as a result of the proposed measure 180 ° eccentric angle. It is assumed that the machine housings are congruent.

Zur Erzielung der günstigsten Phasenverschiebung zwischen der heißen und der kalten Anordnung wird außerdem vorgeschlagen, die Maschinengehäuse der beiden Rotationskolbenanordnungen und dementsprechend die beiden Kolben zueinander verdreht anzuordnen. Hierbei ist zu beachten, daß entsprechend der Getriebeübersetzung zwischen Exzenterwelle und Kolben die Verdrehwinkel von Kolben und Maschinengehäuse unterschiedlich zu bemessen sind. Die Verdrehung läßt sich ohne einen zusätzlichen Bauaufwand, also sehr wirtschaftlich erreichen.To achieve the most favorable phase shift between the hot and the cold arrangement, also proposed the machine housing of the two rotary piston assemblies and accordingly to arrange the two pistons rotated to each other. It should be noted that accordingly the gear ratio between the eccentric shaft and the piston, the angle of rotation of the piston and the machine housing are to be measured differently. The rotation can be done without any additional construction effort, so achieve very economically.

Zweckmäßig ist das jeweils einander gegenüberliegende Arbeitskammern miteinander verbindende Verbindungsteil ringförmig ausgebildet und auf einem Teil seiner Länge zur Aufnahme der Regeneratoren scheibenförmig erweitert. Damit sind auch die Regeneratoren in die an der Drehbewegung teilnehmenden Massen einbezogen, für die wegen ihrer zur Exzenterwelle symmetrischen Lage sehr einfach ein vollständiger Massenausgleich erreicht werden kann.The respective opposing working chambers connecting one another is expedient Connecting part formed in a ring and on one Part of its length to accommodate the regenerators expanded in a disk shape. So are the regenerators included in the masses participating in the rotary movement, for those because of their to the eccentric shaft symmetrical position, a complete mass balance can be achieved very easily.

Um die Wärmezufuhr zum bzw. die Wärmeabfuhr vom Arbeitsgas möglichst günstig zu gestalten, können die Wärmetauscher von einem Zwischenmedium je gleichbleibender Menge beaufschlagt werden, welches seinerseits im Wärmetausch mit dem Heiz- bzw. Kühlmedium steht.In order to make the heat supply to or the heat dissipation from the working gas as favorable as possible, can the heat exchangers are acted upon by an intermediate medium for each constant amount, which in turn is in heat exchange with the heating or cooling medium.

Vorteilhaft sind die Flächen der Wärmetauscher derart schaufeiförmig ausgebildet, daß die Strömung des Zwischen- oder des Heiz- bzw. Kühlmediums durch die äußeren Flächen der Schaufeln begünstigt wird und das Arbeitsmittel durch den Innenraum der Schaufeln strömt.The surfaces of the heat exchangers are advantageously designed in the shape of a scoop in such a way that the flow the intermediate or the heating or cooling medium favored by the outer surfaces of the blades and the working fluid flows through the interior of the blades.

Ebenso ist, wie bei der Heißgasmaschine bekannter Art, die Abwandlung zu einer Gaskältemaschine möglich.As is known in the case of the hot gas machine, the modification to a gas refrigeration machine is also possible possible.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigtIn the drawing, an embodiment of the subject matter of the invention is shown and is described below described in more detail. It shows

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Heißgaskraftmaschine mit kongruent zueinander liegenden Maschinengehäusen und Kolben der beiden Rotationskolbenmaschinen undF i g. 1 shows a longitudinal section through a hot gas engine with machine housings lying congruently to one another and pistons of the two rotary piston machines and

F i g. 2 nebeneinander die beiden in F i g. 1 hintereinanderüegenden Kolben je im Querschnitt.F i g. 2 side by side the two in FIG. 1 consecutive Pistons each in cross section.

In F i g. 3 bis 10 sind die verschiedenen Stellungen der beiden Kolben bei einer Kolbendrehung einer Heißgaskraftmaschine dargestellt, deren Maschinengehäuse und Kolben zueinander verdreht angeordnet sind.In Fig. 3 to 10 are the different positions of the two pistons when one piston rotates Hot gas engine shown, the machine housing and piston arranged rotated to each other are.

Die Heißgaskraftmaschine nach F i g. 1 und 2 weist zwei Maschinengehäuse 1 und 2 von Rotationskolbenmaschinen mit Schlupfeingriff und gegen den Uhrzeigersinn umlaufende dreieckige Kolben 3 und 4The hot gas engine according to FIG. 1 and 2 has two machine housings 1 and 2 of rotary piston machines with slip engagement and counterclockwise rotating triangular pistons 3 and 4

ίο auf. Die beiden Kolben 3 und 4 sind durch ein in drei Sektoren 5 unterteiltes Verbindungsteil fest miteinander verbunden und auf einer Exzenterwelle 6 gelagert. Das Innenvolumen der Kolben 3 und 4 ist durch Trennwände 7 in je drei Teilräume 8 und 9 unterteilt. In jedem Teilraum 8 und 9 ist ein Wärmetauscher 10,11 angeordnet, der in der heißen Anordnung 1, 3 als Heizer 10 und in der kalten Anordnung 2, 4 als Kühler 11 ausgebildet ist. Diese Teilräume 8 und 9 stehen über Öffnungen 12 und 13 in den Kolbenflanken mit den Arbeitskammern 14,15 einerseits und über die Sektoren 5 je paarweise miteinander in offener Verbindung. Die Sektoren 5 sind mitten zwischen den Kolben 3 und 4 erweitert und enthalten hier Regeneratoren 16, die beim Durchströmen des heißen Arbeitsmittels Wärme aufnehmen, speichern und beim anschließenden Durchströmen des nunmehr kalten Arbeitsmittels in umgekehrter Richtung die gespeicherte Wärme wieder an das Arbeitsmittel abgeben. Die vom Arbeitsmittel durchströmten Wärmetauscher 10 und 11 sind von einem Zwischenmedium beaufschlagt, das sowohl in der heißen als auch in der kalten Anordnung den Innenraum des Maschinengehäuses in einem jeweils geschlossenen Kreislauf 17 bzw. 18 umströmt. Die Strömung des Zwischenmediums wird durch die Bewegung der Kolben 3 und 4 in Verbindung mit einer schaufeiförmigen Ausbildung der Flächen der Wärmetauscher 10 und 11 erzeugt. Das Zwischenmedium der heißen Anordnung wird durch das Heizgasführungen 19 durchströmende, über Brenner 20 aufgeheizte Heizgas erwärmt. Vor Eintritt in die Brenner 20 wird die Verbrennungsluft durch Vorwärmleitungen 21 geführt. In der kalten Anordnung wird das Zwischenmedium durch das Kühlgas abgekühlt, das von einem Gebläse 22 gefördert Kühlgasführungen 23 durchströmt, welche ebenso wie die Heizgasführungen 19 so gestaltet sind, daß sie einen möglichst guten Wärmeübergang gewährleisten.
Im Gegensatz zu den in F i g. 1 und 2 dargestellten Anordnungen sind in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 bis 10 Maschinengehäuse 1, 2 und Kolben 3, 4 gegeneinander verdreht. Die Teilräume 26 und 27 sind einander zugeordnet. Die Drehrichtung der Kolben 3, 4 verläuft gegen den Uhrzeigersinn. Aus der bei kongruenter Lage von Gehäuse und Kolben, aber in der heißen Anordnung vorn und in der kalten Anordnung rückwärts liegenden Öffnungen in den Kolbenflanken auftretenden Phasenverschiebung und der durch die Verdrehung von Gehäuse 1, 2 und KoI-ben 3, 4 bedingten weiteren Phasenverschiebung ergibt sich die für das dargestellte Beispiel als günstig ermittelte Voreilung der Volumenänderungen in der heißen Anordnung gegenüber denen der kalten von 150° Exzenterwinkel. Hierbei war eine geringfügige Verlegung der Fußpunkte der radialen Trennwände 7 von der Mitte der Kolbenflanke nach rückwärts angebracht. ίο on. The two pistons 3 and 4 are firmly connected to one another by a connecting part divided into three sectors 5 and mounted on an eccentric shaft 6. The internal volume of the pistons 3 and 4 is divided into three sub-spaces 8 and 9 by partition walls 7. In each sub-space 8 and 9, a heat exchanger 10, 11 is arranged, which is designed as a heater 10 in the hot arrangement 1, 3 and as a cooler 11 in the cold arrangement 2, 4. These subspaces 8 and 9 are in open connection with the working chambers 14, 15 on the one hand via openings 12 and 13 in the piston flanks and in pairs with one another via the sectors 5. The sectors 5 are widened in the middle between the pistons 3 and 4 and contain regenerators 16, which absorb and store heat when the hot working medium flows through and then release the stored heat back to the working medium in the opposite direction when the cold working medium subsequently flows through. The heat exchangers 10 and 11 through which the working medium flows are acted upon by an intermediate medium which flows around the interior of the machine housing in a closed circuit 17 or 18 in both the hot and the cold arrangement. The flow of the intermediate medium is generated by the movement of the pistons 3 and 4 in connection with a blade-shaped design of the surfaces of the heat exchangers 10 and 11. The intermediate medium of the hot arrangement is heated by the heating gas flowing through the heating gas ducts 19 and heated by the burner 20. Before entering the burner 20, the combustion air is passed through preheating lines 21. In the cold arrangement, the intermediate medium is cooled by the cooling gas, which flows through cooling gas ducts 23, conveyed by a fan 22, which, like the heating gas ducts 19, are designed so that they ensure the best possible heat transfer.
In contrast to the in F i g. The arrangements shown in FIGS. 1 and 2 are in the exemplary embodiment according to FIG. 3 to 10 machine housing 1, 2 and piston 3, 4 rotated against each other. The subspaces 26 and 27 are assigned to one another. The direction of rotation of the pistons 3, 4 is counterclockwise. From the phase shift that occurs in the piston flanks when the housing and piston are in a congruent position, but in the hot configuration at the front and in the cold configuration at the rear, and the further phase shift caused by the rotation of housing 1, 2 and piston 3, 4 the lead of the volume changes in the hot arrangement compared to those in the cold of 150 ° eccentric angle, which was found to be favorable for the example shown. A slight relocation of the base points of the radial partition walls 7 from the center of the piston flank to the rear was attached.

Bei den in F i g. 3 dargestellten KolbenstellungenWith the in F i g. 3 piston positions shown

hat die den Arbeitskammern 24 und 25, den entsprechenden Teilräumen 26 und 27 und ihrer Verbindung zugeordnete gesamte Arbeitsmittelmenge das größte Volumen. Unter dem Einfluß des Wärmeaustausches stellt sich jedoch der niedrigste Druck für die betrachtete Arbeitsmittelmenge erst bei den Stellungen gemäß F i g. 4 ein. F i g. 5 zeigt die Stellungen für das kleinste Volumen. Der höchste Druck stellt sich wiederum infolge des Wärmeaustausches erst gemäß F i g. 6 ein. Dann beginnt — immer für die hier betrachtete Arbeitsmittelmenge — die Entspannung. Das größte Volumen wird wiederum erreicht in den Kolbenstellungen nach F i g. 7, die also denen aus F i g. 3 entsprechen. Die zugehörigen Arbeitskammern liegen jedoch jetzt in der jeweils anderen Gehäusehälfte. Der weitere Verlauf der Volumenänderungen gemäß F i g. 8, 9 und 10 entspricht folgerichtig dem nach F i g. 4, 5 und 6. Während der Verdichtung zwischen den Zeitpunkten nach F i g. 4 und 6, die hauptsächlich in der kalten Anordnung stattfindet, wird im ersten Teil dieses Zeitraumes Arbeitsmittel von der heißen zur kalten Anordnung und im zweiten Teil von der kalten zur heißen Anordnung hinübergeschoben. Während derhas the working chambers 24 and 25, the corresponding sub-spaces 26 and 27 and their connection assigned total amount of work equipment the largest volume. Under the influence of heat exchange However, the lowest pressure for the amount of working fluid under consideration arises only with the Positions according to FIG. 4 a. F i g. 5 shows the positions for the smallest volume. The highest pressure again arises as a result of the heat exchange according to FIG. 6 a. Then begins - always for the amount of work equipment considered here - the relaxation. The largest volume is again achieved in the piston positions according to FIG. 7, which therefore correspond to those from FIG. 3 correspond. The associated However, working chambers are now in the other half of the housing. The further course of the Volume changes according to FIG. 8, 9 and 10 consequently corresponds to that according to FIG. 4, 5 and 6. During the compression between the times according to FIG. 4 and 6, mainly in the cold arrangement takes place, in the first part of this period working equipment is changed from the hot to the cold arrangement and in the second part shifted from the cold to the hot arrangement. During the

ίο Entspannung zwischen den Zeitpunkten nach F i g. 6 und 8, die hauptsächlich in der heißen Anordnung stattfindet, wird im ersten Teil dieses Zeitraumes Arbeitsmittel von der kalten zur heißen Anordnung und im zweiten Teil von der heißen zur kalten An-Ordnung hinübergeschoben.ίο relaxation between the times according to FIG. 6th and 8, which takes place mainly in the hot arrangement, is in the first part of this period Working equipment from the cold to the hot arrangement and in the second part from the hot to the cold arrangement pushed over.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Hot gas engine in which two are in open communication with one another phase-shifted volume-variable working chambers of positive displacement machines one Contain the same amount of working material as a whole, the contents of the one, hot working chamber by means of a heat exchanger designed as a heater at a higher temperature, the contents of the other cold working chamber through a heat exchanger designed as a cooler is kept at a lower temperature and in the open connection between a regenerator is arranged in the hot and cold working chambers by combining the following features:

a) The displacement machines are designed as internal-axis rotary piston machines with Slip engagement and arranged on the piston radial seals formed;

b) the piston interior is divided into sub-spaces (8, 9) by radial partition walls (7) between the axially ^a5 zones of the piston flanks and the piston hub, the openings (12, 13) in the piston flanks and heat exchangers (10, 11) for heating or Have cooling of the working medium;

c) the two pistons (3, 4) are connected to one another in a torsionally rigid manner by a connecting part;

d) the connecting part has sectors corresponding to the subspaces (8, 9) of the pistons (3, 4) (5), the regenerator (16) being arranged in each sector (5).

2. hot gas engine according to claim 1, characterized in that an additional heating or cooling of the jacket and the side parts takes place.

3. Hot gas engine according to claim 1 or 2, characterized in that the openings (12, 13) are set forward or backward in the piston flanks.

4. hot gas engine according to claim 1, 2 or 3, characterized in that to achieve the most favorable phase shift between the volume changes of each other connected working chambers, the machine housing (1,2) and accordingly the two Pistons (3, 4) are arranged rotated with respect to one another.

5. Hot gas engine according to one of the preceding Claims, characterized in that the connecting part is annular is and is disc-shaped on part of its length to accommodate the regenerators (16) expanded.

6. hot gas engine according to any one of the preceding claims, characterized in that that the heat exchangers (10, 11) acted upon by an intermediate medium for each constant amount are, which in turn is in heat exchange with the heating or cooling medium.

7. hot gas engine according to one of the preceding claims, characterized in that that the surfaces of the heat exchangers (10, are designed in the shape of a shovel) that Flow of the intermediate or the heating b cooling medium through the outer surfaces of the blades is favored and the working medium flows through the interior of the blades.

8. Applying the principle of training; a hot gas engine according to the claims Chen 1 to 7 on gas chillers.