DE102024107039A1

DE102024107039A1 - Heat exchanger for internal combustion engine with external combustion

Info

Publication number: DE102024107039A1
Application number: DE102024107039.0A
Authority: DE
Inventors: Josef Frauscher
Original assignee: Frauscher Holding GmbH
Current assignee: Frauscher Holding GmbH
Priority date: 2024-03-12
Filing date: 2024-03-12
Publication date: 2025-09-18
Also published as: WO2025191012A1

Abstract

[0034] Die Beschreibung betrifft einen Wärmetauscher für eine Heißgasmaschine mit mindestens einem Zylinder und einen außen um den Zylinder angeordneten Regenerator. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Wärmetauscher: einen Grundkörper und eine Deckplatte, deren Rückseite mit einer Vorderseite des Grundkörpers fest verbunden ist; erste Kanäle, die von der Vorderseite des Grundkörpers durch den Grundkörper hindurch verlaufen und in den Innenraum des Zylinders münden; zweite Kanäle, die von der Vorderseite des Grundkörpers durch den Grundkörper hindurch verlaufen und in den Innenraum des Regenerators münden; und Verbindungskanäle, die in die Vorderseite des Grundkörpers und/oder in die Rückseite der Deckplatte eingearbeitet sind. Jeder der Verbindungskanäle verbindet jeweils einen der ersten Kanäle mit einem der zweiten Kanäle. Der Grundkörper weist auf einer Rückseite einen Bund auf, der im eingebauten Zustand an einer Innenseite eines Flansches eines Behälters anliegt. In manchen Ausführungsbeispielen dient der Behälter zur Aufnahme eines flüssigen Mediums (z.B. geschmolzenes Metall) zur Wärmespeicherung. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Behälter ein Feuerungsraum, ein Gefäß für Wirbelschichtmaterial, ein Strahlungsempfänger für konzentrierte Sonnenenergie oder ein Ofen für thermische Prozesse sein. [0034] The description relates to a heat exchanger for a hot gas engine with at least one cylinder and a regenerator arranged externally around the cylinder. According to one embodiment, the heat exchanger comprises: a base body and a cover plate, the rear side of which is firmly connected to a front side of the base body; first channels, which run from the front side of the base body through the base body and open into the interior of the cylinder; second channels, which run from the front side of the base body through the base body and open into the interior of the regenerator; and connecting channels, which are incorporated into the front side of the base body and/or the rear side of the cover plate. Each of the connecting channels connects one of the first channels to one of the second channels. The base body has a collar on a rear side, which, when installed, rests against the inside of a flange of a container. In some embodiments, the container serves to hold a liquid medium (e.g., molten metal) for heat storage. In other embodiments, the container may be a furnace, a vessel for fluidized bed material, a radiation receiver for concentrated solar energy, or a furnace for thermal processes.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD

Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet der thermodynamischen Maschine, insbesondere einen Wärmetauscher für die Einbringung von Wärmeenergie in das Prozessgas einer Heißgasmaschine (hot air engine).The present description relates to the field of thermodynamic machines, in particular to a heat exchanger for introducing thermal energy into the process gas of a hot air engine.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Es ist bekannt, dass Erhitzer-Wärmetauscher von Stirling-Motoren vielfach mit einer Reihe kleiner Röhrchen ausgestattet sind, durch die das Prozessgas strömt und erhitzt wird. Oftmals sind die Röhrchen mit Rippen oder Finnen ausgestattet, um mehr Oberfläche für den Wärmeübergang zu schaffen. Dabei münden die Enden der Röhrchen auf der einen Seite im Expansionszylinder und auf der anderen Seite im Regenerator der Maschine. Betreffend den Stand der Technik wird auf die Publikationen EP 19 883 52 A2 , WO 2009/082997 A 2 und US 3 861 146 verwiesen.It is known that heater heat exchangers in Stirling engines are often equipped with a series of small tubes through which the process gas flows and is heated. The tubes are often equipped with ribs or fins to create more surface area for heat transfer. The ends of the tubes open into the expansion cylinder on one side and the engine's regenerator on the other. Regarding the state of the art, reference is made to the publications EP 19 883 52 A2 , WO 2009/082997 A 2 and US 3 861 146 referred to.

Nachteilig bei diesen Ausführungen ist, dass sie für bestimmte Arten der Wärmeübertragung nicht geeignet sind. Sollte beispielsweise die Strahlungsenergie eines Strahlers effizient genutzt werden, so eignen sich besser homogene, gut absorbierende Flächen. Aber auch Heißgase aus Biomassefeuerungen, die Staub und Aschereste mit sich führen, eignen sich nur bedingt. Sie können die Zwischenräume der Röhrchen oder Finnen rasch verstopfen was zum Ausfall des Bauteils führen kann. Schwierig ist auch der Wärmeeintrag mittels Flüssigmetallen wie Aluminium oder Natrium, die im Kontakt mit dem Wärmetauscher stehen. Solche Schmelzen kontrahieren beim Übergang von der flüssigen in die feste Phase, was unweigerlich zur Verformung der Röhrchen und in der weiteren Folge zum Bruch des Bauteils führen kann. Außerdem könnte es problematisch sein, Wärme in das erstarrte Metall zwischen den Röhrchen einzubringen, um von der festen Phase wieder in die flüssige Phase zu gelangen.The disadvantage of these designs is that they are not suitable for certain types of heat transfer. If, for example, the radiant energy of a radiator is to be used efficiently, homogeneous, well-absorbing surfaces are more suitable. However, hot gases from biomass combustion, which carry dust and ash residues, are only suitable to a limited extent. They can quickly clog the spaces between the tubes or fins, which can lead to component failure. Heat input using liquid metals such as aluminum or sodium that are in contact with the heat exchanger is also difficult. Such melts contract during the transition from the liquid to the solid phase, which can inevitably lead to the deformation of the tubes and subsequently to the breakage of the component. It can also be problematic to introduce heat into the solidified metal between the tubes in order to get from the solid phase back to the liquid phase.

Der Erfinder hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen Wärmetauscher für eine Heißgasmaschine zu schaffen, der die oben genannten Nachteile zumindest teilweise überwindet und für eine Vielzahl von Anwendungen (insbesondere für den Wärmeeintrag mittels Flüssigmetallen) geeignet ist.The inventor has set himself the task of creating a heat exchanger for a hot gas engine that at least partially overcomes the above-mentioned disadvantages and is suitable for a variety of applications (in particular for heat input using liquid metals).

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Die oben genannte Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie das System gemäß Anspruch 8 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The above-mentioned object is achieved by the device according to claim 1 and the system according to claim 8. Various embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.

Die Beschreibung betrifft einen Wärmetauscher für eine Heißgasmaschine mit mindestens einem Zylinder und einen außen um den Zylinder angeordneten Regenerator. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Wärmetauscher: einen Grundkörper und eine Deckplatte, deren Rückseite mit einer Vorderseite des Grundkörpers fest verbunden ist; erste Kanäle, die von der Vorderseite des Grundkörpers durch den Grundkörper hindurch verlaufen und in den Innenraum des Zylinders münden; zweite Kanäle, die von der Vorderseite des Grundkörpers durch den Grundkörper hindurch verlaufen und in den Innenraum des Regenerators münden; und Verbindungskanäle, die in die Vorderseite des Grundkörpers und/oder in die Rückseite der Deckplatte eingearbeitet sind. Jeder der Verbindungskanäle verbindet jeweils einen der ersten Kanäle mit einem der zweiten Kanäle. Der Grundkörper weist auf einer Rückseite einen Bund auf, der im eingebauten Zustand an einer Innenseite eines Flansches eines Behälters anliegt. In manchen Ausführungsbeispielen dient der Behälter zur Aufnahme eines flüssigen Mediums (z.B. geschmolzenes Metall) zur Wärmespeicherung. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Behälter ein Feuerungsraum, ein Gefäß für Wirbelschichtmaterial, ein Strahlungsempfänger für konzentrierte Sonnenenergie oder ein Ofen für thermische Prozesse sein.The description relates to a heat exchanger for a hot gas engine with at least one cylinder and a regenerator arranged externally around the cylinder. According to one embodiment, the heat exchanger comprises: a base body and a cover plate, the rear side of which is firmly connected to a front side of the base body; first channels, which run from the front side of the base body through the base body and open into the interior of the cylinder; second channels, which run from the front side of the base body through the base body and open into the interior of the regenerator; and connecting channels, which are incorporated into the front side of the base body and/or the rear side of the cover plate. Each of the connecting channels connects one of the first channels to one of the second channels. The base body has a collar on a rear side, which, when installed, rests against the inside of a flange of a container. In some embodiments, the container serves to hold a liquid medium (e.g., molten metal) for heat storage. In other embodiments, the container may be a furnace, a vessel for fluidized bed material, a radiation receiver for concentrated solar energy, or a furnace for thermal processes.

Im Gegensatz zu den bekannten, meist prismatisch angeordneten Röhrchenstrukturen ist der Wärmetauscher gemäß der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele in Form einer flachen, leicht gewölbten oder kegeligen Scheibe ausgebildet, wobei der Einfachheit halber in der folgenden Beschreibung von einer flachen Deckplatte ausgegangen wird. Jedoch muss diese (und die darunter liegende Vorderseite des Grundkörpers) nicht notwendigerweise eben sein. Dabei ist sowohl die gesamte (beispielsweise kreisförmige) Vorderseite der Deckplatte als auch ein ringförmiger Teil der Rückseite des Grundkörpers (der oben erwähnte Bund) dazu vorgesehen, Wärmeenergie in das Innere des Wärmetauschers (d.h. in den Raum zwischen Deckplatte und Grundkörper) einzutragen. Es versteht sich, dass die Deckplatte und der Bund des Grundkörpers nicht notwendigerweise kreisrund sein müssen, auch wenn dies für die Konstruktion und den Zusammenbau vorteilhaft sein kann.In contrast to the known, usually prismatically arranged tube structures, the heat exchanger according to the embodiments described here is designed in the form of a flat, slightly curved or conical disc. For the sake of simplicity, the following description assumes a flat cover plate. However, this (and the underlying front side of the base body) does not necessarily have to be flat. Both the entire (e.g., circular) front side of the cover plate and an annular part of the rear side of the base body (the aforementioned collar) are intended to introduce thermal energy into the interior of the heat exchanger (i.e., into the space between the cover plate and the base body). It is understood that the cover plate and the collar of the base body do not necessarily have to be circular, even if this may be advantageous for design and assembly.

Kennzeichnend zur Einführung der Wärme in das Prozessgas der Heißgasmaschine ist eine im Inneren der Scheibe (d.h. zwischen Deckplatte und Grundkörper) angebrachte Kanalstruktur (die oben erwähnten Verbindungskanäle), in der das verdichtete Arbeitsgas strömt. Die Kanäle, durch die das Arbeitsgas strömt, sind möglichst gleichmäßig verteilt, so dass ein gleichmäßiger spezifischer Wärmeeintrag pro Flächeneinheit gewährleistet ist. Dies dient dazu, starke Temperaturdifferenzen innerhalb des Wärmetauschers zu vermeiden, die zu thermischen Spannungen führen können (mit entsprechend unerwünschten Folgen).A characteristic feature of the heat introduction into the process gas of the hot gas machine is a channel structure (the above-mentioned connecting channels) located inside the disc (i.e., between the cover plate and the base body), through which the compressed working gas flows. The channels through which the working gas flows are distributed as evenly as possible. so that a uniform specific heat input per unit area is ensured. This serves to avoid significant temperature differences within the heat exchanger, which can lead to thermal stresses (with correspondingly undesirable consequences).

Sowohl die Vorderseite als auch die Rückseite bieten Flächen zur Wärmeübertragung. An der Vorderseite (an der sich die Deckplatte befindet) wird die gesamte (z.B. kreisförmige) Fläche benutzt. An der gegenüberliegenden Rückseite der Scheibe (wo sich der erwähnte Bund des Grundkörpers befindet) wird über die ringförmige Fläche des erwähnten Bunds zusätzlich Wärme in den Wärmetauscher eingebracht. Dort wird Wärme über einen Metallring (z.B. einen Flansch), an dem der Bund des Grundkörpers anliegt, mittels Wärmeleitung auf den Grundkörper übertragen. Der Metallring seinerseits hat an seinem äußeren radialen Rand einen thermischen Kontakt mit seiner Umgebung, die bei entsprechender Gestaltung erhebliche Wärmeenergie in den Metallring einleiten kann. Dies kann beispielsweise in der Art erfolgen, dass der Ring (z.B. der Flansch) in die metallische Wand eines Behälters eingeschweißt (oder auf andere Weise an dieser montiert) ist. Der Behälter kann wie erwähnt ein Feuerungsraum, ein Gefäß für flüssiges Metall oder dergleichen sein. Insofern unterstützt ein Teil der Wand des Gefäßes als zusätzliche Wärmeeintragungsfläche die gesamte äußere Oberfläche des Wärmetauschers um eine größere Wärmeübertragungsleistung zu erzielen.Both the front and back provide surfaces for heat transfer. At the front (where the cover plate is located), the entire (e.g., circular) surface is utilized. At the opposite rear of the disc (where the aforementioned collar of the base body is located), additional heat is introduced into the heat exchanger via the annular surface of the aforementioned collar. There, heat is transferred to the base body by conduction via a metal ring (e.g., a flange) against which the collar of the base body rests. The metal ring, in turn, has thermal contact with its surroundings at its outer radial edge, which, if appropriately designed, can introduce considerable heat energy into the metal ring. This can be achieved, for example, by welding the ring (e.g., the flange) into the metal wall of a container (or mounting it to it in some other way). As mentioned, the container can be a furnace, a vessel for liquid metal, or the like. In this respect, a part of the vessel wall acts as an additional heat transfer surface to support the entire outer surface of the heat exchanger in order to achieve greater heat transfer performance.

Diese oben beschriebene Gestaltung ist deshalb wichtig, da die Größe der Scheibe und damit die Länge und folglich das Volumen der inneren Kanalstrukturen (insbesondere der Verbindungskanäle) relativ kompakt gehalten werden kann. Das hat nicht nur einen positiven Einfluss auf die Festigkeit (und reduziert die negativen Auswirkungen der thermischen Spannungen), sondern es bietet auch die Grundlage für ein möglichst kleines Volumen in den Kanälen für das Prozessgas. Insbesondere bei Stirlingmaschinen wird dieses Volumen auch als „schädliches Volumen“ oder „Totvolumen“ bezeichnet und soll im Sinne der erreichbaren spezifischen Leistung möglichst klein gehalten werden. Die spezifische Wärmeübertragung in das Arbeitsgas ist infolge des hohen Druckes, der bei leistungsfähigen Stirlingmaschinen durchaus mittlere Werte von 100 bar und mehr annehmen kann, sehr hoch im Vergleich zur Außenfläche des Wärmetauschers, an dessen Umgebung normalerweise nur atmosphärische Druckverhältnisse herrschen.The design described above is important because the size of the disc, and thus the length and consequently the volume of the internal channel structures (especially the connecting channels), can be kept relatively compact. This not only has a positive influence on strength (and reduces the negative effects of thermal stresses), but it also provides the basis for the smallest possible volume in the channels for the process gas. In Stirling engines in particular, this volume is also referred to as the "harmful volume" or "dead volume" and should be kept as small as possible in terms of the achievable specific power. Due to the high pressure, which in powerful Stirling engines can easily reach average values of 100 bar and more, the specific heat transfer into the working gas is very high compared to the outer surface of the heat exchanger, whose surroundings are normally only at atmospheric pressure.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE ILLUSTRATIONS

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränken sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Zu den Abbildungen:

1 zeigt einen Schnitt durch die Mittelachse des Expansionszylinders und des Wärmetauschers samt seiner unmittelbaren Umgebung.
2 stellt eine Ansicht aus der in 1 bezeichneten Richtung „A“ dar.
3 zeigt ein Befestigungshilfsmittel der Erfindung.
4 stellt einen Schnitt eines Strahlungsempfängers für einen Sonnenspiegel dar.
5 ist ein waagrechter Schnitt durch ein Gefäß mit eingebautem Wärmetauscher, vorwiegend für flüssige Metalle als Wärmespeicher.
6 zeigt einen weiteren Schnitt durch das Gefäß aus 5.

The invention is explained in more detail below using the examples shown in the figures. The illustrations are not necessarily to scale, and the exemplary embodiments described here are not limited to the aspects shown. Rather, emphasis is placed on illustrating the principles underlying the exemplary embodiments. Regarding the figures:

1 shows a section through the central axis of the expansion cylinder and the heat exchanger including its immediate surroundings.
2 represents a view from the 1 direction designated “A”.
3 shows a fastening aid of the invention.
4 shows a cross-section of a radiation receiver for a solar mirror.
5 is a horizontal section through a vessel with a built-in heat exchanger, primarily for liquid metals as heat storage.
6 shows another section through the vessel from 5 .

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

In den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Wärmetauscher in Verbindung mit einem Stirling-Motor gezeigt. Die Verwendung des Wärmetauschers ist jedoch nicht auf Stirling-Motoren beschränkt. Die beschriebenen Konzepte sind auch bei anderen Arten thermodynamischer Maschinen anwendbar, bei denen Wärme in ein Prozessgas eingebracht werden muss, wie beispielsweise der genannte Ericsson-Motor oder Joule-Motor.In the exemplary embodiments described below, the heat exchanger is shown in conjunction with a Stirling engine. However, the use of the heat exchanger is not limited to Stirling engines. The concepts described are also applicable to other types of thermodynamic machines in which heat must be introduced into a process gas, such as the aforementioned Ericsson engine or Joule engine.

Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen einen Wärmetauscher für die Einbringung von Wärmeenergie in das Arbeitsgas einer thermodynamischen Maschine (insbesondere eines Stirling-Motors). Ein Beispiel ist in 1 dargestellt. 1 zeigt einen Wärmetauscher 1.4 für eine Heißgasmaschine 1 (z. B. ein Stirling-Motor) mit mindestens einem Zylinder 1.1 und einen außen um den Zylinder 1.1 angeordneten Regenerator 1.2. Der Wärmetauscher weist einen Grundkörper 1.41 und eine Deckplatte 1.45 auf, deren Rückseite mit einer Vorderseite des Grundkörpers 1.41 fest verbunden ist (z.B. mittels eines Fügeverfahrens zu Herstellung hochtemperaturfester Verbindungen).The embodiments described here relate to a heat exchanger for introducing thermal energy into the working gas of a thermodynamic machine (in particular a Stirling engine). An example is described in 1 shown. 1 shows a heat exchanger 1.4 for a hot gas engine 1 (e.g., a Stirling engine) with at least one cylinder 1.1 and a regenerator 1.2 arranged externally around the cylinder 1.1. The heat exchanger has a base body 1.41 and a cover plate 1.45, the rear side of which is firmly connected to a front side of the base body 1.41 (e.g., by means of a joining process for producing high-temperature-resistant connections).

Der (Erhitzer-) Wärmetauscher umfasst also eine scheiben- oder plattenförmige Gestaltung, die aus einer Grundplatte (die Teil des Grundkörpers 1.41 des Wärmetauschers ist) und der Deckplatte 1.45 gebildet wird. In dem Grundkörper 1.41 sind erste Kanäle 1.44 und zweite Kanäle 1.43 (Bohrungen) angeordnet. Die ersten Kanäle 1.44 verlaufen von der Vorderseite des Grundkörpers 1.41 durch diesen hindurch und münden in den Innenraum des Zylinders 1.1. Die zweiten Kanäle 1.43 verlaufen ebenfalls von der Vorderseite des Grundkörpers 1.41 durch diesen hindurch, münden jedoch in den Innenraum des Regenerators 1.2. Ebenfalls in 1 dargestellt wird der im Zylinder 1.1 angeordnete Verdrängerkolben der Stirlingmaschine. Der Innenraum des Regenerators 1.2 kann z.B. ringförmig um die Mittelachse des Expansionszylinders 1.1 angeordnet sein. Der z.B. scheiben- oder plattenförmige Erhitzer-Wärmetauscher ist am vorderen Ende des Zylinders 1.1 angeordnet. Es ist unwesentlich, ob der Zylinder 1.1 und der Grundkörper 1.41 des Wärmetauschers in einem Teil realisiert sind oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt werden. In den dargestellten Beispiel bilden der Grundkörper 1.41 des Wärmetauschers und der Zylinder 1.1 ein integrales Bauteil.The (heater) heat exchanger thus comprises a disc- or plate-shaped design, which is formed from a base plate (which is part of the base body 1.41 of the heat exchanger) and the cover plate 1.45. In the base body 1.41, first channels 1.44 and second channels 1.43 (bores) are provided. The first channels 1.44 run from the front of the base body 1.41 through it and open into the interior of the cylinder 1.1. The second channels 1.43 also run from the front of the base body 1.41 through it, but open into the interior of the regenerator 1.2. Also in 1 The displacement piston of the Stirling engine is shown, arranged in cylinder 1.1. The interior of the regenerator 1.2 can, for example, be arranged in a ring around the central axis of the expansion cylinder 1.1. The heater/heat exchanger, which may be disc- or plate-shaped, is located at the front end of the cylinder 1.1. It is irrelevant whether the cylinder 1.1 and the base body 1.41 of the heat exchanger are realized as a single part or are composed of several parts. In the example shown, the base body 1.41 of the heat exchanger and the cylinder 1.1 form an integral component.

In eine oder in beide der Platten (d.h. in die Vorderseite des Grundkörpers 1.41 oder die Rückseite der Deckplatte 1.45 oder in beide) ist eine Struktur von Verbindungskanälen 1.42 eingearbeitet, die nach dem Zusammenfügen von Grund- und Deckplatte im Inneren eine geschlossene und gasdichte Kanalstruktur für das durchströmende Arbeitsgas ergibt. Jeder der Verbindungskanäle 1.42 verbindet jeweils einen der ersten Kanäle 1.44 (der in den Zylinderinnenraum führt) mit einem der zweiten Kanäle 1.43 (der in den Regenerator führt). Das heißt, die Verbindungskanäle 1.42 enden an den Bohrungen 1.43 und 1.44 und verbinden somit den Zylinderinnenraum mit dem Regenerator (siehe auch 2).A structure of connecting channels 1.42 is incorporated into one or both of the plates (i.e., into the front of the base body 1.41 or the back of the cover plate 1.45, or into both). This structure, after the base and cover plates are joined together, creates a closed and gas-tight channel structure for the flowing working gas. Each of the connecting channels 1.42 connects one of the first channels 1.44 (which leads into the cylinder interior) with one of the second channels 1.43 (which leads into the regenerator). This means that the connecting channels 1.42 end at the bores 1.43 and 1.44 and thus connect the cylinder interior with the regenerator (see also 2 ).

Ein weiterer Aspekt der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele liegt beispielsweise auch darin, dass der äußere Randbereich des Grundkörpers (der Grundplatte) formschlüssig in die Wand eines Behälters (z.B. eines Gefäßes, eines Feuerungsraumes oder dgl.) eingebaut werden kann und dass die den Wärmetauscher umgebende Innenwand des Behälters eine Fläche bildet, die Wärme aufnimmt und über eine Kontaktfläche vorwiegend auf die Rückseite des Grundkörpers 1.41 (also auf die der Wärmequelle abgewandten Seite des Wärmetauschers) überträgt. Die erwähnte Kontaktfläche wird durch einen auf der Rückseite des Grundkörpers 1.41 angeordneten Bund C ermöglicht, der im eingebauten Zustand an einer Innenseite 3.1 eines Flansches 3.0 eines Behälters anliegt. Wie eingangs erwähnt, kann der Behälter unterschiedliche Funktionen erfüllen (z.B. Feuerungsraum, ein Gefäß für flüssiges Metall oder dergleichen). Durch die Kontaktfläche im Bereich des Bunds C ist eine Wärmeleitung von dem Behälter hinein in die Rückseite des Grundkörpers 1.41 des Wärmetauschers möglich, was insgesamt die Wärmetransportleistung vergrößert.A further aspect of the exemplary embodiments described here is, for example, that the outer edge region of the base body (the base plate) can be installed in a form-fitting manner into the wall of a container (e.g., a vessel, a combustion chamber, or the like), and that the inner wall of the container surrounding the heat exchanger forms a surface that absorbs heat and transfers it via a contact surface primarily to the rear side of the base body 1.41 (i.e., to the side of the heat exchanger facing away from the heat source). The aforementioned contact surface is made possible by a collar C arranged on the rear side of the base body 1.41, which, when installed, rests against an inner side 3.1 of a flange 3.0 of a container. As mentioned at the beginning, the container can fulfill different functions (e.g., combustion chamber, a vessel for liquid metal, or the like). The contact surface in the area of the collar C enables heat conduction from the container into the back of the base body 1.41 of the heat exchanger, which overall increases the heat transfer capacity.

Der Bund C an der Rückseite des Grundkörpers 1.41 ist nicht notwendigerweise eben. Der Bund und damit die Kontaktfläche zwischen Grundkörper 1.41 und Behälterwand (Flansch 3.0) können z.B. auch leicht kegelig gestaltet sein. Die Kontaktfläche im Bereich des Bunds C liegt nahe an den Verbindungskanälen 1.42 und Wärme kann demnach über einen kurzen Abstand in die Verbindungskanäle 1.42 eingeleitet werden. Diese Wärme wird vom Flansch 3.0, der seinerseits eine gut wärmeleitende Verbindung zu der Behälterwand 3.1 oder dergleichen aufweist, über die Kontaktfläche in den Grundkörper 1.41 des Wärmetauschers eingeleitet. Der Flansch 3.0 kann auch als Teil der Behälterwand betrachtet werden. In dem dargestellten Beispiel ist der Flansch 3.0. in die Behälterwand 3.1 eingeschweißt. Es versteht sich, dass der Flansch 3.0 auch auf anderer Weise an der Behälterwand 3.1 montiert sein kann. Der Flansch 3.0 kann auch ein integraler Bestandteil der Behälterwand sein. Um die Effizienz des rückseitigen Wärmeeintrages zu verbessern, kann der Flansch 3.0 eine verhältnismäßig dicke Wandstärke aufweisen (dicker als die Behälterwand (3.1), um den radialen Wärmefluss aus der umgebenden Behälterwand 3.1 gut an die Kontaktstelle C weiterzuleiten. Der Wärmeübergang an der Kontaktstelle im Bereich des Bunds C kann z.B. mit einer Hochtemperatur-Wärmeleitpaste weiter verbessert werden.The collar C on the rear side of the base body 1.41 is not necessarily flat. The collar, and thus the contact surface between the base body 1.41 and the tank wall (flange 3.0), can also be slightly conical, for example. The contact surface in the area of the collar C is close to the connecting channels 1.42, and heat can therefore be introduced into the connecting channels 1.42 over a short distance. This heat is introduced from the flange 3.0, which in turn has a good heat-conducting connection to the tank wall 3.1 or the like, via the contact surface into the base body 1.41 of the heat exchanger. The flange 3.0 can also be considered part of the tank wall. In the example shown, the flange 3.0 is welded into the tank wall 3.1. It is understood that the flange 3.0 can also be mounted to the tank wall 3.1 in other ways. The flange 3.0 can also be an integral part of the tank wall. To improve the efficiency of the rear heat input, the flange 3.0 can have a relatively thick wall thickness (thicker than the vessel wall (3.1)) in order to effectively transfer the radial heat flow from the surrounding vessel wall 3.1 to the contact point C. The heat transfer at the contact point in the area of the collar C can be further improved, for example, with a high-temperature thermal paste.

In 1 sind zwei Anwendungsmöglichkeiten dargestellt. Die linke Hälfte stellt allgemein den Einbau der Vorrichtung in einen Behälter, d.h. die Montage an dessen Wand 3.1 dar. Der Flansch 3.0 dient - neben der bereits erläuterten Wärmeleitfunktion - auch zur Positionierung des Wärmetauschers 1.4, wobei die Befestigung des Wärmetauschers mittels eines geteilten Druckrings 2.2 erfolgen kann, der sich an der Zylinderwand des Zylinders 1.1 abstützt und in der Lage ist, den Bund C des Grundkörpers 1.41 fest an den Flansch 3 zu pressen.In 1 Two possible applications are shown. The left half generally represents the installation of the device in a container, i.e., mounting on its wall 3.1. In addition to the heat-conducting function already explained, the flange 3.0 also serves to position the heat exchanger 1.4. The heat exchanger can be secured by means of a split pressure ring 2.2, which rests on the cylinder wall of the cylinder 1.1 and is capable of pressing the collar C of the base body 1.41 firmly against the flange 3.

Der genannte Druckring 2.2 ist also Teil einer Klemmvorrichtung (siehe auch 3), wobei der Druckring 2.2 an einer Außenseite des Flansches 3.0 anliegt und sich an einer Außenwand des Grundkörpers 1.41 (jedem Teil, der um den Zylinder 1.1 angeordnet ist) abstützt. Der Druckring 2.2 kann mittels Schrauben gegen einen konischen Abschnitt der Außenwand des Grundkörpers 1.41 gedrückt werden, wodurch der Bund C des Grundkörpers 1.41 gegen die Innenseite 3.1 des Flansches 3.0 gedrückt wird.The pressure ring 2.2 mentioned is therefore part of a clamping device (see also 3 ), whereby the thrust ring 2.2 bears against an outer side of the flange 3.0 and is supported on an outer wall of the base body 1.41 (any part arranged around the cylinder 1.1). The thrust ring 2.2 can be pressed by means of screws against a conical section of the outer wall of the base body 1.41, whereby the collar C of the base body 1.41 is pressed against the inner side 3.1 of the flange 3.0.

Auf der rechten Seite der 1 ist ein Beispiel für die Integration der Vorrichtung in einen Feuerungsraum dargestellt. Dargestellt ist ein keramisches Rohr 3.2 als Ende einer Ausbrandzone einer Feuerung. Die Rauchgase 4.1 treten in einem Spalt zwischen Wärmetauscher 1.4 und dem Ende des Ausbrandrohrs 3.2 radial aus der Ausbrandzone aus und gelangen in einen ringförmigen Kanal, der zwischen der Außenfläche des Ausbrandrohes 3.2 und der Innenseite der Behälterwand 3.1 gebildet wird. Dort erfolgt ein Wärmeeintrag in die Wand 3.1 und eine Wärmeleitung über den Flansch 3.0 auf den Bund C des Wärmetauschers 1.4. Sofern die vordere Oberfläche (also die Deckplatte 1.45) des Wärmetauschers 1.4 auf die Flamme oder Glut der Feuerung gerichtet ist, erfolgt ein intensiver Wärmeeintrag auf drei Arten: (1.) durch die Strahlungsleistung 4.0 der Flamme oder Glut, (2.) durch Konvektion der Rauchgasströmung 4.1 an der Vorderseite des Wärmetauschers, und (3.) durch Wärmeleitung über die Kontaktstelle zwischen Flansch 3.0 und dem Grundkörper 1.41 (am Bund C).On the right side of the 1 An example of the integration of the device into a combustion chamber is shown. It shows a ceramic tube 3.2 as the end of a burnout zone. a furnace. The flue gases 4.1 emerge radially from the burnout zone through a gap between heat exchanger 1.4 and the end of burnout tube 3.2 and enter an annular channel formed between the outer surface of burnout tube 3.2 and the inside of vessel wall 3.1. There, heat is introduced into wall 3.1 and conducted via flange 3.0 to collar C of heat exchanger 1.4. If the front surface (i.e., cover plate 1.45) of heat exchanger 1.4 is directed toward the flame or embers of the furnace, intensive heat is introduced in three ways: (1.) through the radiation output 4.0 of the flame or embers, (2.) through convection of the flue gas flow 4.1 at the front of the heat exchanger, and (3.) through heat conduction via the contact point between flange 3.0 and base body 1.41 (at collar C).

2 zeigt die Ansicht „A“ gemäß 1 des Wärmetauschers 1.4, jedoch ohne die Deckplatte 1.45, sodass die Sicht auf die Grundplatte (die Vorderseite des Grundkörpers 1.41) und auf deren Kanalstruktur (erste und zweite Kanäle 1.44, 1.43, Verbindungskanäle 1.42 frei wird. Es ist erkennbar, dass die Verbindungskanäle 1.42 in einem weitgehend konstanten Abstand zueinander angeordnet sind, um den Wärmeentzug über die gesamte Fläche weitgehend homogen zu halten. Dargestellt sind auch die Durchgangsbohrungen 1.43 (zweite Kanäle) in den Regenerator 1.2 sowie die Durchgangsbohrungen 1.44 (erste Kanäle) in den Zylinderraum 1.1. Auf der linken Seite ist andeutungsweise eine Ringfläche R dargestellt, deren Oberfläche Wärme über den verdeckt (mit strichlierten Linien) angedeuteten Flansch 3.0 auf die Rückseite (am Bund C) des Wärmetauschers überträgt. Falls die mit den Pfeilen versehene Ringfläche R mit einem Durchmesser D2 von 1,41·D1 gewählt wird, steht bereits ca. die doppelte Fläche der Stirnfläche des Wärmetauschers 1.4 (entspricht der Fläche der Deckplatte 1.45) als Wärmeeintragsfläche zur Verfügung. 2 shows view “A” according to 1 of the heat exchanger 1.4, but without the cover plate 1.45, so that the view of the base plate (the front of the base body 1.41) and its channel structure (first and second channels 1.44, 1.43, connecting channels 1.42) is clear. It can be seen that the connecting channels 1.42 are arranged at a largely constant distance from one another in order to keep the heat extraction largely homogeneous over the entire surface. Also shown are the through holes 1.43 (second channels) in the regenerator 1.2 as well as the through holes 1.44 (first channels) in the cylinder chamber 1.1. On the left-hand side, an annular surface R is indicated, the surface of which transfers heat via the hidden flange 3.0 (indicated by dashed lines) to the rear side (at the collar C) of the heat exchanger. If the annular surface R marked with the arrows has a diameter D2 of 1.41 D1 is selected, approximately twice the area of the front surface of the heat exchanger 1.4 (corresponds to the area of the cover plate 1.45) is available as heat input area.

In 3 ist ein Beispiel der erwähnten Klemmvorrichtung dargestellt. Diese umfasst einen zweigeteilten Klemmring 2.2, der zur Montage des Wärmetauschers 1.4 am Flansch 3.0 verwendet wird. Der geteilte Ring ist in Verbindung mit einer kegeligen Fläche an der Außenwand des Grundkörpers 1.41 des Wärmetauschers oder des Zylinders 1.1 in der Lage, die Rückseite des Wärmetauschers 1.4 (nämlich den Bund C) fest an den Flansch 3.0 anzudrücken, um einen guten Wärmeübergang an der Kontaktstelle zu gewährleisten. Dazu können Klemmschrauben die zwei Teile des Klemmringes 2.2 in diametraler Richtung zusammendrücken. Zur Unterstützung des Wärmeüberganges können Hochtemperatur-Wärmeleitpasten verwendet werden. Vorteilhaft ist insbesondere auch, dass sich die Klemmschrauben des Ringes nicht mehr im Hochtemperaturbereich befinden und damit jederzeit gut lösbar sind. Es versteht sich, dass auch andere Konstruktionen des Klemmrings, die im Wesentlichen das gleiche oder ein ähnliches Ergebnis erzielen, verwendet werden können.In 3 An example of the clamping device mentioned is shown. This comprises a two-part clamping ring 2.2, which is used to mount the heat exchanger 1.4 to the flange 3.0. The split ring, in conjunction with a conical surface on the outer wall of the base body 1.41 of the heat exchanger or the cylinder 1.1, is able to press the rear side of the heat exchanger 1.4 (namely, the collar C) firmly against the flange 3.0 to ensure good heat transfer at the contact point. For this purpose, clamping screws can press the two parts of the clamping ring 2.2 together in a diametrical direction. High-temperature thermal pastes can be used to support heat transfer. Another particular advantage is that the clamping screws of the ring are no longer in the high-temperature area and can therefore be easily removed at any time. It goes without saying that other clamping ring designs that achieve essentially the same or a similar result can also be used.

4 stellt eine Anwendung der Erfindung im Zusammenhang mit einem Strahlungsempfänger eines Sonnenspiegels dar. Das heißt, der Behälter 3.1 dient als Strahlungsempfänger, wobei im dargestellten Beispiel der Deckel des Behälters 3.1 als Flansch 3.0 ausgebildet ist. Der Wärmeeintrag erfolgt dabei ausschließlich durch konzentrierte Strahlung 4.0, die teilweise von der z.B. zylindrischen Außenwand auf die Deckplatte 1.45 reflektiert wird. Der absorbierte Anteil wird auf den Flansch 3.0 geleitet und am Bund C in den Wärmetauscher auf seiner Rückseite eingetragen. 4 represents an application of the invention in connection with a radiation receiver of a solar mirror. This means that the container 3.1 serves as a radiation receiver, with the lid of the container 3.1 being designed as a flange 3.0 in the example shown. The heat input occurs exclusively through concentrated radiation 4.0, which is partially reflected from the cylindrical outer wall, for example, onto the cover plate 1.45. The absorbed portion is directed to the flange 3.0 and introduced into the heat exchanger on its rear side at collar C.

5 und 6 sind zwei Darstellungen eines Systems, in dem der Wärmetauscher 1.4 in einer Wand eines Behälters 3.1 montiert ist, in dem wiederum ein (z.B. flüssiges) Wärmespeichermedium angeordnet ist. Das System kann Teil einer sogenannten Carnot-Batterie sein, in der z.B. elektrische Energie als Wärme zwischengespeichert wird, die später wieder (z.B. mit Hilfe des Stirling-Motors und einem von diesem angetriebenen Generators) in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das Wärmespeichermedium kann eine Metallschmelze (z.B. flüssiges Aluminium oder Natrium), Flüssigsalz oder ähnliches sein. 5 and 6 These are two representations of a system in which the heat exchanger 1.4 is mounted in a wall of a container 3.1, in which a (e.g., liquid) heat storage medium is arranged. The system can be part of a so-called Carnot battery, in which, for example, electrical energy is temporarily stored as heat, which can later be converted back into electrical energy (e.g., with the help of the Stirling engine and a generator driven by it). The heat storage medium can be a molten metal (e.g., liquid aluminum or sodium), molten salt, or similar.

Der Hauptteil der Wärme wird über die Deckplatte 1.45 in den Wärmetauscher 1.4 eingetragen. Eine Teilfläche der Wand des Behälters 3.1 leitet die Wärme der Schmelze über den Flansch 3.0 hin zur Rückseite des Wärmetauschers 1.4, wo diese am Bund C in die Rückseite des Wärmetauschers eingeleitet wird. Die Vorderseite (Deckplatte 1.45) ist in direktem Kontakt mit der Schmelze (siehe auch 6). Das heißt, die Deckplatte 1.45 des Wärmetauschers 1.4 befindet sich unterhalb der Oberfläche O des flüssigen Wärmespeichermediums. Die Gestaltung des Gefäßes kann entsprechend den Eigenschaften der Schmelze gewählt werden, beispielsweise eine prismatische, kegelstumpfförmige oder halbkugelige Ausführung.The majority of the heat is transferred to the heat exchanger 1.4 via the cover plate 1.45. A partial surface of the wall of the vessel 3.1 conducts the heat of the melt via the flange 3.0 to the rear of the heat exchanger 1.4, where it is introduced into the rear of the heat exchanger at the collar C. The front side (cover plate 1.45) is in direct contact with the melt (see also 6 ). This means that the cover plate 1.45 of the heat exchanger 1.4 is located below the surface O of the liquid heat storage medium. The design of the vessel can be selected according to the properties of the melt, for example, a prismatic, truncated cone, or hemispherical design.

Sofern der Wärmetauscher 1.4 im Behälter 3.1 auf einer Höhe in der Nähe des Flüssigkeitsspiegels O montiert ist (siehe 6), tritt eine Thermosiphonwirkung auf, die zu einer gewissen Umwälzung der Schmelze führt. Auslösend für die Thermosiphonwirkung ist der Anstieg der Dichte des den Wärmetauscher 1.4 unmittelbar umgebenden Teils der Schmelze, verursacht durch den Wärmeentzug. Dies führt dazu, dass dieser dichtere (und folglich schwerere) Teil der Schmelze absinkt. Dieses Verhalten kann benutzt werden, um im Einsatzfall bei thermischen Batterien möglichst das gesamte Volumen im Gefäß für die Wärmeabgabe zu nützen. In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, dass der Behälter 3.1 schräg steht. Gemäß 6 ist der Wärmetauscher an einer Seitenfläche des Behälters 3.1 unterhalb (jedoch in der Nähe) der Oberfläche O des flüssigen Mediums angeordnet, und die Mittelachse des Behälters ist in Bezug auf die Lotrechte geneigt.If the heat exchanger 1.4 is mounted in the tank 3.1 at a height close to the liquid level O (see 6 ), a thermosiphon effect occurs, which leads to a certain circulation of the melt. The thermosiphon effect is triggered by the increase in the density of the part of the melt immediately surrounding the heat exchanger 1.4, caused by the heat removal. This leads to this denser (and consequently heavier) part of the melt sinking. This can be used to utilize the entire volume of the vessel for heat dissipation in thermal batteries. In this context, it may be advantageous for the vessel 3.1 to be inclined. 6 the heat exchanger is arranged on a side surface of the vessel 3.1 below (but close to) the surface O of the liquid medium, and the central axis of the vessel is inclined with respect to the vertical.

Das dem Wärmespeichermedium ist nicht notwendigerweise flüssiges Metall, sondern es kann alternativ auch erhitzter Sand oder anderes granulares (kornähnliches) Speichermaterial (Schüttgut) wie beispielsweise Aluminiumoxide, Keramiksand oder dergleichen verwendet werden. Eine Übertragung der Wärmeenergie möglichst aus dem gesamten Volumen des Behälters kann beispielsweise durch Umwälzung des Sandes erfolgen. Methoden zur Umwälzung von Sand und anderem Schüttgut sind an sich bekannt und reichen von einfachen mechanischen Methoden wie z.B. mittels Schneckenföderer oder dergleichen, bis hin zur Fluidisierung mittels Heißluft, ähnlich wie es in Wirbelschichtfeuerungen praktiziert wird. Beispielsweise kann Luft von der Oberfläche eines Sandbeetes abgesaugt und an der Unterseite über einen Düsenboden wieder eingebracht werden. (vgl. Grace J. R.: „High-Velocity Fluidized Bed Reactors“, in: Chemical Engineering Science, Vol. 45, Issue 8, S. 1953-1966, 1990 ).The heat storage medium is not necessarily liquid metal; heated sand or other granular (grain-like) storage material (bulk material) such as aluminum oxide, ceramic sand, or the like can also be used as an alternative. The transfer of heat energy, if possible, from the entire volume of the container can be achieved, for example, by circulating the sand. Methods for circulating sand and other bulk material are known and range from simple mechanical methods, such as screw conveyors or the like, to fluidization using hot air, similar to what is practiced in fluidized bed combustion systems. For example, air can be sucked from the surface of a sand bed and reintroduced into the underside via a nozzle base. (cf. Grace JR: “High-Velocity Fluidized Bed Reactors”, in: Chemical Engineering Science, Vol. 45, Issue 8, pp. 1953-1966, 1990 ).

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 19 883 52 A2 [0002]
WO 2009/082997 A [0002]
US 3 861 146 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Grace J. R.: “High-Velocity Fluidized Bed Reactors”, in: Chemical Engineering Science, Vol. 45, Issue 8, pp. 1953-1966, 1990 [0027]

Claims

A heat exchanger (1.4) for a hot-gas engine with at least one cylinder (1.1) and a regenerator (1.2) arranged externally around the cylinder (1.1). The heat exchanger comprises: a base body (1.41) and a cover plate (1.45), the rear side of which is firmly connected to a front side of the base body (1.41); first channels (1.44) extending from the front side of the base body (1.41) through the base body (1.41) and opening into the interior of the cylinder (1.1); second channels (1.43) extending from the front side of the base body (1.41) through the base body (1.41) and opening into the interior of the regenerator (1.2); and connecting channels (1.42) incorporated into the front side of the base body (1.41) and/or into the rear side of the cover plate (1.45), wherein each of the connecting channels (1.42) connects one of the first channels (1.44) to one of the second channels (1.43), wherein the base body (1.41) has a collar (C) on a rear side, which, when installed, rests against an inner side (3.1) of a flange (3.0) of a container.

The heat exchanger according to Claim 1 , which further comprises: a clamping device with a split pressure ring (2.2) which rests on an outer side of the flange (3.0) and is supported on an outer wall of the base body (1.41).

The heat exchanger according to Claim 1 , wherein the pressure ring (2.2) is pressed by means of screws against a conical section of the outer wall of the base body (1.41), whereby the collar (C) of the base body (1.41) is pressed against the inner side (3.1) of the flange (3.0).

The heat exchanger according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the cover plate (1.45) is substantially flat.

The heat exchanger according to Claim 4 wherein the cover plate (1.45) lies in a plane which is normal to a longitudinal axis of the cylinder (1.1).

The heat exchanger according to one of the Claims 1 until 5 , wherein the first channels (1.44) and the second channels (1.43) end in a central region of the base body (1.41) and wherein the connecting channels (1.42) run from the central region of the base body (1.41) to the edge of the base body (1.41) and back again into the central region.

The heat exchanger according to one of the Claims 1 until 6 wherein a high-temperature thermal paste is arranged between the collar (C) of the base body (1.41) and the flange (3.0).

A system comprising: a container (3.1) with a flange (3.0) for receiving a medium for heat storage; a hot gas engine with at least one cylinder (1.1) and a regenerator (1.2) arranged outside the cylinder (1.1), and a heat exchanger according to one of the Claims 1 until 7 .

The system according to Claim 8 , wherein the heat storage medium is a metal melt, in particular an aluminum or sodium melt.

The system according to Claim 8 , wherein the heat storage medium is a granular medium, in particular sand

The system according to Claim 9 , wherein the container (3.1) has a central axis and the heat exchanger is arranged on a side surface of the container (3.1) below but close to the surface of the liquid medium, so that a convection flow is created by the fact that heat is extracted from the liquid medium at the heat exchanger (thermosiphon effect).

The system according to one of the Claims 8 until 11 , further comprising: a device for circulating the medium for heat storage.