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Einzylinder-Heißluftmotor
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Einzylinder-Heißluftmotor, insbesondere
für Solarkraftanlagen, mit einem den Expansionsraum umschließenden Zylinderkopf.
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Solarenergie kann bekanntlich auf thermischem Wege, d.h.
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durch Nutzung der Sonnenwärme mit möglichst großem Wirkungsgrad, in
mechanische oder auch elektrische Energie umgeformt werden. Hierzu wird die Solarenergie
in einem Kollektor aufgefangen oder in einem Absorber absorbiert und in Wärme umgeformt
und schließlich in einer Wärmekraftmaschine in mechanische Energie umgesetzt. Ein
von der Wärmekraftmaschine angetriebener Generator kann anschließend die erzeugte
mechanische Energie in elektrische Energie umformen. Um eine vorgegebene mittlere
Tagesleistung mit möglichst geringer Kollektorfläche und deshalb entsprechend niedrigen
Anlagenkosten zu erhalten, verwendet man einerseits der Strahlungsrichtung nachgesteuerte
Kollektoren und konzentriert andererseits die aufgefangene Strahlungsleistung so,
daß am Absorber möglichst hohe Temperaturen erzeugt werden. Um einen großen Wirkungsgrad
der Wärmekraftmaschine zu erhalten, muß bekanntlich die absorbierte Energie bei
möglichst hohem Temperaturniveau dem Arbeitsmedium dieser Maschine zugeführt werden.
Andererseits muß die Abwärme bei möglichst niedriger Temperatur dem Arbeitsmedium
wieder entzogen werden. Dies folgt aus dem bekannten Carnot-Wirkungsgrad, der für
die reversiblen Ideal-Grenzfälle vieler thermodynamischer und technisch nutzbarer
Kreisprozesse gilt.
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Heißluftmotoren in der Bauform sogenannter Stirling-Motoren kann die
erforderliche Energie bekanntlich als Solarenergie zugeführt werden. Die Solarenergie
wird mit Hilfe eines Kollektors auf einen Absorber zu hoher Dichte konzentriert.
Die Umwandlung der thermischen Energie in mechanische Energie erfolgt mit Hilfe
des Stirling-Motors, dessen Zylinderkopf die Funktion des Absorbers erfüllt (M.KUnzel:
Krafterzeugung durch Sonnenenergie, Seiten 117 bis 120, Verlag C.F. Müller, Karlsruhe).
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In einer bekannten Solarkraftanlage erfolgt die ZufUhrung der Solarstrahlung
mit Hilfe eines sogenannten Cassegrain-Spiegelsystems, das einen Primärspiegel enthält,
der mit einer zentralen Öffnung versehen ist und dessen Spiegelfläche die Form eines
Paraboloids hat.
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Die Solarstrahlung wird zunächst am Primärspiegel und dann an einem
Sekundärspiegel mit konvexer Spiegelfläche nochmals reflektiert und tritt durch
die zentrale Öffnung des Primärspiegels hindurch. Unterhalb des Primärspiegels ist
ein Dampfkessel angeordnet, der einen als Absorber dienenden Einsatz in der Form
eines Hohlkegels enthält. Zur Erhöhung des Absorptionsvermögens ist der Absorber
mit einer schwarzen, rauhen Farbe bestrichen (DE-PS 394 232).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einzylinder-Heißluftmotor
anzugeben, dessen Absorber durch mehrfache gerichtete Reflexion ein hohes Absorptionsvermögen
und nur eine geringe Bauhöhe hat.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zylinderkopf
als Hohlraumabsorber gestaltet ist, dessen Wandfläche mindestens einen Hohlkegelstumpf
bildet, an dessen kleinerer Begrenzungslinie sich ein
umgekehrt
liegender, erhabener Kegel anschließt, dessen Spitze in der Grundfläche des Kegelstumpfes
liegt und bei dem die zur Wärmeaufnahme vorgesehene Oberfläche als schwach reflektierende
Oberfläche gestaltet und glänzend bearbeitet, beispielsweise poliert, ist. Die Wandfläche
kann vorzugsweise mehrfach derart gefaltet sein, daß der äußere Hohlkegelstumpf
sich nach innen anschließende, abwechselnd konvexe und konkave Kegelstümpfe und
einen zentralen konvexen oder konkaven, bis zur Spitze auslaufenden Kegel einschließt.
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Für diesen Absorber kann die erforderliche Wärmeenergie sowohl aus
einem Solarkollektorsystem als auch mit Hilfe fester oder flüssiger Brennstoffe
zugeführt werden.
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Der Öffnungswinkel des Hohlkegels bzw. der Kegelstümpfe wird vorzugsweise
nicht wesentlich größer als etwa 300 gewählt. In dieser Ausfuhrungsform hat der
Absorber mit seiner dunklen und glatten Oberfläche hervorragende Absorptionseigenschaften
für Strahlung, deren Einfallswinkel nicht wesentlich größer als 450 gegen die Kegelachse
ist. Die Rückstrahlungsverluste des zugleich als Absorber wirkenden heißen Zylinderkopfes
können bei diesem geringen Öffnungswinkel weitgehend unterdrückt werden.
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In einer besonderen Ausführungsform des Heißluftmotors für Solaranlagen
kann der Absorber vorzugsweise in einem als Hohlkugel gestalteten Behälter angeordnet
werden, der den Absorber und den heißen Teil des Zylinders einschließt. Die innere
Oberfläche dieses Behälters kann außerhalb des Raumwinkels für die einfallende Strahlung
mit einer Verspiegelung versehen werden, welche die Temperaturstrahlung des Absorbers
und Zylinders reflektiert. Die Wärmeleitungsverluste von Absorber und
Zylinder
werden besonders wirkungsvoll begrenzt, wenn der Behälter evakuiert wird. Das Vakuum
bildet zugleich einen Korrosionsschutz für den Absorber und erhöht damit die Lebensdauer
bei den erforderlichen hohen Temperaturen.
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In der Einzylinder-Stirlingmaschine wird die Oberseite des Verdrängers
an das kegelförmige Profil des Zylinderkopfes angepaßt. Die Anlage kann in einfacher
Weise von Solarbetrieb auf Feuerungsbetrieb, beispielsweise Öl-oder Gasfeuerung,
umgerüstet werden, wenn der als Absorber ausgebildete Zylinderkopf und der evakuierte
und zum Teil verspiegelte Behälter als montierbare Baueinheit ausgeführt sind. Bei
Bedarf kann diese Baueinheit dann gegen einen Brenner ausgetauscht werden. Der sowohl
für Solarerwärmung als auch für Brennstofffeuerung verwendete Absorber mit gefaltetem
Kegelprofil ist besonders gut zur Umlenkung und Wärmeabfuhr der Flammgase geeignet.
Dabei kann der Wärmeübergang durch radial aufgesetzte Lamellen noch verbessert werden.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Zylinderkopfes für einen
Einzylinder-Heißluftmotor nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Figur
2 zeigt einen Schnitt durch einen Verdrängerkolben nach Figur 1. In Figur 3 ist
eine Ausführungsform des Zylinderkopfes als Vakuumabsorber veranschaulicht. In Figur
4 ist eine Austauscheinheit für Feuerungsbetrieb des Einzylinder-Heißluftmotors
dargestellt und Figur 5 zeigt einen Querschnitt der Ausführungsform nach Figur 4.
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In Figur 4 ist ein Zylinderkopf für einen Einzylinder-Heißluftmotor
mit 2 bezeichnet, dessen Stirnfläche als
Hohlraumabsorber 3 gestaltet
ist, und aus einem Hohlkegelstumpf 4 besteht, an dessen kleinerer Begrenzungslinie
sich ein Kegel 5 anschließt, dessen Spitze vorzugsweise wenigstens annähernd in
der Öffnungsebene 6 des Hohlkegelstumpfs 4 liegt oder wenigstens nicht wesentlich
darüber hinausragt. Der Absorber 3 kann beispielsweise aus Metall oder Keramik,
vorzugsweise aus Siliziumkarbid, bestehen. Ein Verdrängerkolben ist mit 8 bezeichnet.
In dieser Ausführungsform ist der in der Figur nicht dargestellte Einzylinder-Heißluftmotor
für Betrieb mit konzentrierter Solarstrahlung vorgesehen.
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Die zur Absorption der als Pfeile 10 angedeuteten Solarstrahlung dienende
Oberfläche besteht somit aus der inneren Mantelfläche des Kegelstumpfs 4 und der
äußeren Mantelfläche des Kegels 5.
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Das Profil der Stirnfläche des Verdrängerkolbens 8 ist dem Profil
des Hohlraumabsorbers 3 angepaßt. In den Verdrängerkolben 8 eingefügte achsenparallele
Rohre, von denen im Schnitt der Figur nur zwei sichtbar und mit 12 und 16 bezeichnet
sind, können in strömangsgünstiger Weise die Beflutung und Entleerung des zwischen
dem Hohlraumabsorber 3 und dem Deckel des Verdrängerkolbens 6 gebildeten Expansionsraumes
22 erleichtern.
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In der praktischen Ausführungsform des Einzylinder-Heißluftmotors
kann der Verdrängerkolben 8 beispielsweise mit acht Rohren versehen sein, die in
Figur 2 mit 12 bis 19 bezeichnet sind. Diese Rohre 12 bis 19 über nehmen zusammen
mit einem zwischen dem Verdrängerkolben 8 und der Innenwand des Zylinders 24 gebildeten
Ringspalt 26 in bekannter Weise die Funktion eines Regenerators.
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Zum Betrieb eines derartigen Einzylinder-Heißluftmotors wird nach
Figur 3 die Solarstrahlung 10 über ein in der Figur nicht dargestelltes Spiegel-
oder Linsensystem, vorzugsweise über ein Cassegrain-Kollektorsystem, auf die Öffnungsebene
6 des Zylinderkopfes 2 fokussiert und unter Nutzung der spiegelnden Mehrfachreflexion
an der kegelstumpfförmigen bzw. kegelförmigen Absorberfläche absorbiert. Bei fünf
Einzelreflexionen und einem mittleren Reflexionsvermögen g < 0,4 erhält man beispielsweise
bereits ein effektives Absorptionsvermögen aeff > 99 %. Für den in Figur 3 gewählten
Öffnungswinkel des Hohlkegels von beispielsweise 280 und eine maximale Neigung der
einfallenden Strahlung gegen die Symmetrieachse von beispielsweise 270 erfährt die
einfallende Solarstrahlung 10 im Mittel wenigstens fünf Reflexionen. Der Zylinderkopf
2 ist von einem im wesentlichen kugel- oder birnenförmigen Gefäß 30 umgeben, dessen
Mittelpunkt in der Mitte der Öffnungsfläche 6 des Absorbers 3 liegt. Der Zylinderkopf
2 und das Gefäß 30 sind auf einem gemeinsamen Montageflansch 32 befestigt. Das Gefäß
30 ist außerhalb des durch die Randstrahlen 10 angedeuteten Öffnungswinkels der
zu empfangenden Strahlung auf der Innenseite mit einer Verspiegelung 34 versehen.
In dem für den Durchtritt der Solarstrahlung vorgesehenen zentralen Bereich kann
das Gefäß 30 vorteilhaft auf beiden Seiten entspiegelt sein, in bekannter Weise
mit einer in der Figur nicht dargestellten Zündeinrichtung. Die dargestellte Baueinheit
bildet mit dem Zylinderkopf einen Vakuumabsorber für gerichtet einfallende, konzentrierte
Solarstrahlung.
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Um den Heißluftmotor mit Gas- oder Ölfeuerung betreiben zu können,
wird die Baueinheit nach Figur 3 ausgetauscht gegen einen Brenner 40, wie er in
Figur 4 dargestellt
ist. Dieser Brenner 40 ist ebenfalls gemeinsam
mit dem Zylinder 24 und dem als Absorber dienenden Zylinderkopf 2 als Baueinheit
ausgeführt, die in einfacher Weise gegen einen Vakuumabsorber für Solarstrahlung
ausgetauscht werden kann. Dem Brenner 40 ist ein Flammrohr-Wärmetauscher 42 für
eine Vorwärmung der Luft zugeordnet, die von unten zugeführt wird, wie es durch
Pfeile 44 angedeutet ist. Die einströmende Luft übernimmt an den Rohren 46 einen
Teil der Abwärme, wird mit aus einer Weise 48 austretendem Brennstoff gemischt und
in bekannter Weise mit einer in der Figur nicht dargestellten Zündeinrichtung gezündet
und gibt einen wesentlichen Teil der Wärme an den Absorber 3 ab, der zu diesem Zweck
zusätzlich mit Lamellen 50 versehen ist.
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Die Kegelform der Heizfläche des Absorbers 3 bewirkt eine strömungstechnisch
günstige Umlenkung der Flammgase. Für die Vorwärmung der Luft kann in bekannter
Weise eine Mehrfachumlenkung vorgesehen sein.
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Die Lamellen 50 sind nach Figur 5 radial angeordnet und können sich
noch in den zentralen Brennraum des Brenners 40 erstrecken.
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Im Ausführungsbeispiel ist ein Absorber 3 dargestellt, der aus einem
Hohlkegel mit einfacher Faltung besteht.
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In einer besonderen Ausführungsform des Einzylinder-Heißluftmotors
kann jedoch der Absorber 3 auch aus einem mehrfach gefalteten Hohlzylinder bestehen,
so daß der äußere Kegelstumpf mehrere weitere Kegelstümpfe einschließt, die einen
vollständigen Kegel mit auslaufender Spitze konzentrisch umgeben.
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2 Patentansprüche 5 Figuren
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