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Vorrichtung zur Erzeugung eines Warmluftstroms - Dokument DE69508476T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69508476T2 08.07.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0692684
Titel Vorrichtung zur Erzeugung eines Warmluftstroms
Anmelder Aérospatiale Société Nationale Industrielle, Paris, FR
Erfinder Chevalier, Alain, F-18000 Asnieres/Bourges, FR;
Bouchez, Marc, F-18230 Saint-Doulchard, FR
Vertreter P. Meissner und Kollegen, 14199 Berlin
DE-Aktenzeichen 69508476
Vertragsstaaten BE, DE, ES, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 22.06.1995
EP-Aktenzeichen 954014809
EP-Offenlegungsdatum 17.01.1996
EP date of grant 24.03.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.07.1999
IPC-Hauptklasse F24H 3/06

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Heißluftstroms.

Diese Erfindung kann zwar in zahlreichen Anlagen, in denen ein Heißluftstrom erforderlich ist, wie in Anlagen zur Prüfung des Werkstoffverhaltens, für Aerodynamiktests oder für Versuche zur Validierung von Wandkühlsystemen, eingesetzt werden, doch wird sie im weiteren speziell im Rahmen eines Prüfstandes zur Entwicklung von Staustrahltriebwerken beschrieben.

Bekanntlich müssen für eine derartige Entwicklung insbesondere von Staustrahltriebwerken, die bei Hyperschallgeschwindigkeiten betrieben werden, die Staustrahltriebwerke auf dem Prüfstand mit Luft gespeist werden, die eine hohe Temperatur aufweist und gleichzeitig so rein wie möglich ist. Außerdem muß eine derartige Luftzufuhr kontinuierlich während einer im allgemeinen sehr langen Dauer erfolgen, damit eine Flugbahn simuliert oder das Wärmeverhalten des Staustrahltriebwerks bei thermischem Dauerbetieb kontrolliert werden kann.

Zur Erzeugung von Heißluft sind statische Heißlufterzeuger mit einer Erhitzungsvorrichtung, beispielsweise einem Gasbrenner oder einer elektrischen Vorrichtung, bekannt, die ein Material mit einer hohen Wärmekapazität, zum Beispiel Aluminiumkugeln oder Metallrohre, erhitzen. Nach der Erhitzung des Materials wird reine Luft in, den Heißlufterzeuger geleitet, so daß sich Luft von hoher Temperatur, die überdies rein ist, ergibt, da die Zusammensetzung der eingesetzten Luft durch den Heißlufterzeuger nicht verändert wird.

Da die Wärmekapazität des eingesetzten Materials natürlich begrenzt ist, kann die Heißluft nicht über einen sehr langen Zeitraum erzeugt werden, so daß eins der wesentlichen Merkmale für den Betrieb von Prüfständen des oben beschriebenen Typs, d. h. eine kontinuierliche Luftzufuhr, nicht gegeben ist.

Außerdem sind aktive Heißlufterzeuger bekannt, mit denen Luft kontinuierlich durch Verbrennung erhitzt wird, bei der zum Beispiel Wasserstoff oder Kerosin sowie der Sauerstoff der zu erhitzenden Luft eingesetzt werden, wobei der verbrauchte Sauerstoff nach der Erhitzung wieder ergänzt wird. Die so erzielte Heißluft besteht aus Luft und aus Produkten dieser Verbrennung. Diese Luft ist also nicht rein, so daß sich bei Verbrennungsuntersuchungen, insbesondere in den Fällen, in denen die Kinetik eine wichtige Rolle spielt, Nachteile ergeben, da es dann sehr schwierig ist, am Boden Betriebsbedingungen zu reproduzieren, die denen während des Fluges ähnlich sind.

Außerdem wird in Dokument EP-A-0343938 eine Vorrichtung zur Klimatisierung von Gebäuden vorgestellt, mit der versucht wird, einen unverschmutzten erhitzten Luftstrom zu erzeugen.

Zur Verwirklichung der Klimatisierung sieht dieses bekannte Dokument eine erste Luftleitung von außerhalb nach innerhalb des Gebäudes und eine zweite Luftleitung von innerhalb nach außerhalb des Gebäudes vor, die beide voneinander unabhängig sind. Diese bekannte Vorrichtung ist folglich komplex.

Außerdem wird die in diesen Leitungen zirkulierende Luft unterschiedlich behandelt und die Luft der ersten Leitung, bei der es sich um Luft aus der Außenumgebung handelt, vor allem erwärmt und angefeuchtet.

Gegenstand dieser Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen. Sie bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Heißlufterzeugung, die in der Lage ist, unverschmutzte Luft mit hoher Temperatur ohne Begrenzung der Dauer abzugeben.

Dazu ist die zur Erzeugung eines Heißluftstroms dienende Vorrichtung insbesondere für die Entwicklung von Staustrahltriebwerken mit einer Luftquelle, die an ihrem Ausgang einen Luftstrom erzeugt, einem Erhitzungssystem mit mindestens einem mit einem brennbaren Fluid gespeisten Brenner und einem Wärmesystem mit Wärmeübertragungselementen, die die vom Erhitzungssystem erzeugte Wärmeenergie speichern und diese Wärmeenergie an den Luftstrom abgeben können, wobei das Wärmesystem auf einer beweglichen Unterlage angebracht ist, durch die das Wärmesystem von, einer ersten Stellung, in der es sich gegenüber dem Erhitzungssystem befindet, in eine zweite Stellung übergehen kann, in der es sich gegenüber dem Ausgang der Luftquelle befindet, erfindungsgemäß dadurch bemerkenswert, daß, die Wärmeübertragungselemente aus einem Material mit hoher spezifischer Wärme bestehen und auf der beweglichen Unterlage so verteilt sind, daß die im Luftstrom angeordneten und zuvor vom Brenner des Erhitzungssystems erhitzten Wärmeübertragungslemente kontinuierlich wechseln, und dadurch, daß das Erhitzungssystem zur Verbrennung des brennbaren Fluids Luft aus der Luftquelle und keine zur Erzeugung des Heißluftstroms eingesetzte Luft verwendet.

Durch die Erfindung werden die obengenannten Nachteile somit beseitigt.

Da der Luftstrom überdies nicht der Wirkung des Erhitzungssystems ausgesetzt ist, wird der erzeugte Heißluftstrom nicht durch das Erhitzungssystem verschmutzt, so daß Heißluft erzielt werden kann, die die gleiche Reinheit wie die am Ausgang der Luftquelle erzeugte Luft aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist die bewegliche Unterlage drehbar, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung vereinfacht werden kann.

Außerdem hat die bewegliche Unterlage vorzugsweise die Form eines zylindrischen Behälters, der zumindest teilweise mit den Wärmeübertragungselementen gefüllt ist.

Vorteilhafterweise hat der zylindrische Behälter in der oberen Wand eine erste zur Achse des zylindrischen Behälters konzentrische ringförmige Öffnung und in der unteren Wand eine zweite ebenfalls zur Achse des zylindrischen Behälters konzentrische ringförmige Öffnung mit einem Metallgitter, wobei der Ausgang des Erhitzungssystems und der Ausgang der Luftquelle unter der zweiten Öffnung diametral entgegengesetzt zur Achse des zylindrischen Behälters angeordnet sind.

Außerdem hat die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise ein festangebrachtes Gehäuse, wobei der Behälter im Gehäuse beweglich ist und die Ausgänge der Luftquelle und des Erhitzungssystems im Gehäuse angeordnet sind.

Darüber hinaus hat die Vorrichtung vorteilhafterweise Isoliermittel zwischen dem. Behälter und dem Gehäuse, die eine Luftzirkulation zwischen dem Behälter und dem Gehäuse verhindern und so vermeiden sollen, daß direkt aus der Luftquelle kommende nicht erhitzte Luft oder eventuell verschmutzte Luft aus dem Erhitzungssystem mit dem erzeugten Heißluftstrom vermischt wird.

Überdies kann die obere Wand des Gehäuses, um eine einwandfreie Ableitung der einzelnen Luftströme zu ermöglichen, versehen sein mit:

- einer ersten Öffnung gegenüber dem Ausgang der Luftquelle, an die eine Düse angeschlossen werden kann, und

- einer zweiten Öffnung gegenüber dem Ausgang des Erhitzuhgssystems, an die eine Auspuffleitung angeschlossen werden kann.

So kann der erzeugte Heißluftstrom über die Düse abgeleitet und einer Nutzvorrichtung, beispielsweise einer Brennkammer eines Staustrahltriebwerks auf einem Prüfstand zugeführt und der eventuell verschmutzte Luftstrom aus dem Erhitzungssystem über die Auspuffleitung abgeleitet werden, wobei sich die beiden Luftströme nicht miteinander vermischen können.

Zur Regelung der Verteilung der Luftströmung durch die Düse und die Auspuffleitung verfügt die Auspuffleitung vorteilhafterweise über ein steuerbares Innenventil, das die Auslaßöffnung verändern kann.

Außerdem ist zwischen dem Behälter und dem Gehäuse vorteilhafterweise ein Durchgang vorgesehen, damit die Luft vom Ausgang der Luftquelle zum Erhitzungssystem zirkulieren kann.

Die Figuren der beigefügten Zeichnung erleichtern das Verständnis dafür, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. In diesen Figuren sind ähnliche Elemente mit identischen Bezugszahlen bezeichnet.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht des Schnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 ist eine Ansicht der Vorrichtung von Fig. 1 von unten, die zum Teil geöffnet dargestellt ist.

Fig. 3 ist eine Draufsicht der Vorrichtung von Fig. 1.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist zur Erzeugung eines Heißluftstroms vorgesehen.

Die Vorrichtung 1 hat ein festangebrachtes Außengehäuse 2 und ein bewegliches System in Form eines zylindrischen Behälters 3, der innerhalb des Gehäuses 2 beweglich angeordnet ist.

Dazu ist der zylindrische Behälter 3 mit einer Welle 4 mit der Achse X-X verbunden, die drehbar in der oberen Wand 5 und der unteren Wand 6 des Gehäuses 2 angeordnet ist und durch eine Antriebsvorrichtung eines bekannten und nicht dargestellten Typs entsprechend Pfeil E in Drehung versetzt werden kann. Der Behälter 3 weist um die X-X-Achse Rotationssymmetrie auf und hat in seiner oberen Wand 7 eine zur X-X-Achse konzentrische ringförmige Öffnung 8 und in seiner unteren Wand 9 gegenüber der Öffnung 8 eine ringförmige Öffnung 10. Die ringförmige Öffnung 10 ist mit einem Metallgitter 12 abgedeckt.

Es ist festzustellen, daß die gesamte untere Wand 9 im Rahmen dieser Erfindung in Form eines Metallgitters verwirklicht werden kann.

Unter der ringförmigen Öffnung 10 sind angeordnet:

- einerseits ein Erhitzungssystem 13, das an seinem Ausgang 16 Wärmeenergie erzeugt, wobei das Erhitzungssystem 13 Brenner 14, hat, die auf eine nicht dargestellte Art mit einem brennbaren Fluid, zum Beispiel Propan, gespeist werden und an der Innenseite 15 der unteren Wand 6 des Gehäuses 2 angebracht und, wie in Fig. 2 dargestellt, kreisbogenförmig in der Mitte der ringförmigen Öffnung 10 verteilt sind, wobei die Brenner 14 in dieser Fig. 2 schematisch durch Punkte bezeichnet sind; und

- andererseits entgegengesetzt zum Erhitzungssystem 13 bezogen auf die X-X-Achse der Ausgang 17 einer nicht dargestellten Luftquelle, die einen Luftstrom B erzeugen kann, wobei der Ausgang 17 durch eine Öffnung 18 in der unteren Wand 6 des Gehäuses 2 verläuft und mit dem. Gehäuse 2 fest verbunden ist.

Der Luftstrom B kann durch den Behälter 3 strömen, in dem er, wie im weiteren zu sehen sein wird, in Richtung der ringförmigen Öffnung 8 in der oberen Wand 7 des Behälters 3 erhitzt werden kann, während Luft A aus dem Luftstrom B der Luftquelle über einen Durchgang 19 zwischen den unteren Wänden 6 und 9 von Gehäuse 2 und. Behälter 3 strömen kann, und die Brenner 14 während der Verbrennung des brennbaren Fluids mit Luft versorgt.

Die obere Wand 5 des Gehäuses 2 ist wie folgt ausgerüstet:

- einerseits mit einer runden Öffnung 20 gegenüber Ausgang 17 der Luftquelle, an die eine Düse 21 angeschlossen ist, die mit einem Mischsystem 22 zum Mischen von Luft versehen ist, das an der Öffnung 20 innerhalb der Düse 21 angeordnet ist, und

- andererseits mit einer Öffnung 23 von länglicher Form gegenüber Ausgang 16 des Erhitzungssystems 13, die kreisbogenförmig entsprechend der Anbringung der Brenner 14, wie in Fig. 3 dargestellt, angeordnet ist. An die Öffnung 23 ist über ein. Düsenelement 24 eine Auspuffleitung 25 angeschlossen, die in Fig. 1 mit Strichpunktlinie dargestellt und mit einem steuerbaren Innenventil 26 versehen ist, durch das der freie Querschnitt der Auspuffleitung 25 verändert werden kann.

Außerdem ist der Behälter 3 mit Wärmeübertragungselementen 27, zum Beispiel Kugeln oder Rohren, gefüllt, die in Fig. 1 lediglich auf dem Boden von Behälter 3 dargestellt sind. Zur besseren Klarheit der Zeichnung sind die Wärmeübertragungselemente 27 in dieser Fig. 1 nicht sehr kompakt dargestellt. Natürlich kann der Behälter 3 vollständig mit derartigen Wärmeübertragungselementen 27, und zwar sehr kompakt, gefüllt sein, wobei die Füllung, wie später zu sehen sein wird, in Abhängigkeit von den zu erzielenden Ergebnissen festgelegt wird. Das Verhältnis zwischen Außenfläche und Volumen der Wärmeübertragungselemente 27 ist vorzugsweise hoch. Gleichzeitig ist es vorteilhaft, wenn diese aus einem Material mit einer hohen spezifischen Wärme, wie Zirconiumdioxid, hergestellt sind.

Zur Erzeugung eines Heißluftstroms wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 wie folgt betrieben:

Zunächst werden folgende Arbeitsgänge ausgeführt:

- die Welle 4 wird mit niedriger gleichbleibender Geschwindig keit in Drehung versetzt, die so den Behälter 3 um die X-X- Achse dreht;

- dann wird die Luftquelle 17 eingeschaltet, die den obengenannten Luftstrom B erzeugt, und

- schließlich werden die Brenner 14 des Erhitzungssystems 13 eingeschaltet, die auf nicht dargestellte Weise mit einem brennbaren Fluid sowie mit Luft A versorgt werden.

Die Brenner 14 erhitzen die über diesen befindlichen Wärmeübertragungselemente 27. Die Verbrennungsgase der Brenner 14 strömen über die Öffnungen 8 und 23, wie mit den Pfeilen C angegeben, aus dem Behälter 3 und dem Gehäuse 2 und werden über die Auspuffleitung 25 abgeleitet.

Die Wärmeübertragungselemente 27 speichern so über dem Ausgang 16 des Erhitzungssystems 13 Energie. Nachdem der Behälter 3 um eine halbe Umdrehung gedreht wurde, durch die die Wärmeübertragungselemente 27 in den Luftstrom B gelangen, geben sie diese gespeicherte Energie an den Luftstrom B ab. Dadurch wird der Luftstrom B erhitzt. Außerdem wird die Wärmeverteilung im erhitzten Luftstrom F dadurch homogenisiert, daß der Luftstrom F in das Mischsystem 22 geleitet wird, so daß am Ausgang der Düse 21 ein homogener Heißluftstrom G erzielt wird.

Erfindungsgemäß weist der Heißluftstrom G folgende Merkmale auf:

- seine Wärme kann genau insbesondere in Abhängigkeit von der Stärke der Erhitzung sowie von den Eigenschaften und der Menge der eingesetzten Wärmeübertragungselemente 27 bestimmt werden;

- er ist nicht verschmutzt, da die Verbrennungsprodukte der Brenner 14, durch die der Luftstrom B verschmutzt werden könnte, durch die Auspuffleitung 25 abgeleitet werden, und

- die Heißluft wird durch die gleichbleibende Drehung von Behälter 3, die es ermöglicht, die Wärmeübertragungselemente 27 im Luftstrom B, durch die der Luftstrom B erhitzt werden soll, regelmäßig zu wechseln, kontinuierlich und homogen abgegeben,

Es ist zu bemerken, daß die von der Luftquelle erzeugte Luft, wie durch die Pfeile D angegeben, außerdem direkt durch die Öffnung 23 strömen kann, wobei der Umfang dieser Strömung insbesondere vom Luftwiderstand der Wärmeübertragungselemente 27 im Behälter 3 abhängt. Die Strömungsverteilung außerhalb des Behälters 3 bzw. durch die Auspuffleitung 25 und die Düse 21 hängt insbesondere von der Größe ihrer jeweiligen Querschnitte ab. Diese Verteilung kann demzufolge durch Änderung des Querschnitts der Auspuffleitung 25 mit Hilfe des Steuerventils 26 geregelt werden.

Außerdem wird zwischen dem Behälter 3 und dem Gehäuse 2 eine Isolierung beispielsweise mittels Labyrinthdichtungen 28 zwischen ihren vertikalen Wänden und mittels einer nicht dargestellten beweglichen Wand zwischen ihren oberen Wänden vorgesehen, so daß zwischen dem Gehäuse 2 und dem Behälter 3 eine Luftzirkulation verhindert wird und sich der Heißluftstrom weder mit der direkt von der Luftquelle kommenden nicht erhitzten Luft noch mit der möglicherweise verschmutzten Luft aus dem Erhitzungssystem 13 vermischen kann.

Darüber hinaus ist zu bemerken, daß die Düse 21 in ihrem mittleren Teil 29 eine Durchmesserverengung aufweist, so daß ein Zwangsabluftstrom ermöglicht wird.

Der am Ausgang der Düse 21 anstehende Heißluftstrom G kann zum Beispiel zur Prüfung des Werkstoffverhaltens, zu Aerodynamiktests oder zu Validierungsversuchen für Wandkühlsysteme genutzt werden. Vorzugsweise wird dieser Heißluftstrom jedoch zur Entwicklung von Staustrahltriebwerken verwendet, für die er, wie oben angeführt, die geeigneten Merkmale aufweist. Zu diesem Zweck wird dann die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit dem für diese Entwicklung eingesetzten Prüfstand verbunden.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Heißluftstroms(G) insbesondere zur Entwicklung von Straustrahltriebwerken mit einer Luftquelle, die an ihrem Ausgang (17) einen Luftstrom (B) erzeugt, einem Erhitzungssystem (13) mit mindestens einem Brenner (14), der mit einem brennbaren Fluid gespeist wird, und einem Wärmesystem mit Wärmeübertragungselementen (27), die die vom Erhitzungssystem (13) erzeugte Wärmeenergie speichern und diese Wärmeenergie an den Luftstrom (B) abgeben können, wobei das Wärmesystem, auf einer beweglichen Unterlage (3) angeordnet ist, durch die das Wärmesystem aus einer ersten Stellung, in der es sich gegenüber dem Erhitzungssystem (13) befindet, in eine zweite Stellung, gelangt, in der es sich gegenüber dem Ausgang (17) der Luftquelle befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungselemente (27) aus einem Material mit hoher spezifischer Wärme bestehen und auf der beweglichen Unterlage (3) so verteilt sind, daß die Wärmeübertragungselemente (27) im Luftstrom (B), die zuvor vom Brenner des Erhitzungssystems (13) erhitzt wurden, ständig gewechselt werden, und dadurch, daß das Erhitzungssystem (13) zur Verbrennung des brennbaren Fluids Luft (A) aus der Luftquelle, die nicht zur Erzeugung des Heißluftstroms (G) genutzt wird, verwendet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Unterlage (3) drehbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Unterlage die Form eines zylindrischen Behälters (3) hat, der zumindest teilweise mit den Wärmeübertragungselementen (27) gefüllt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Behälter (3) in der oberen Wand (7) eine erste zur Achse (X-X) des zylindrischen Behälters (3) konzentrische ringförmige Öffnung (8) und in der unteren Wand (9) eine zweite ebenfalls zur Achse (X-X) des zylindrischen Behälters (3) konzentrische ringförmige Öffnung (10) hat, wobei die zweite Öffnung (10) mit einem Metallgitter (12) versehen ist und der Ausgang (16) des Erhitzungssystems (13) und der Ausgang (17) der Luftquelle unter der zweiten Öffnung (10) diametral entgegengesetzt zur Achse (X-X) des zylindrischen Behälters (3) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach, einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gehäuse (2) hat, in dem der Behälter (3) beweglich angeordnet ist, wobei die Ausgänge (16, 17) der Luftquelle und des Erhitzungssystems (13) im Gehäuse (2) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen dem Behälter (3) und dem Gehäuse (2) Isoliermittel (28) hat, durch die zwischen dem Behälter (3) und dem Gehäuse (2) eine Luftzirkulation verhindert werden soll.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) in seiner oberen Wand (5) wie folgt ausgerüstet ist:

- mit einer ersten Öffnung (20) gegenüber dem Ausgang (17) der Luftquelle, an die eine Düse (21) angeschlossen ist, und

- mit einer zweiten Öffnung (23) gegenüber dem Ausgang (16) des Erhitzungssystems (13), an die eine Auspuffleitung (25) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auspuffleitung (25) ein steuerbares Innenventil (26) hat, mit dem der Querschnitt der Auspuffleitung verändert werden kann.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Behälter (3) und dem Gehäuse (2) ein Durchlaß (19) vorgesehen ist, der eine Luftzirkulation vom Ausgang (17) der Luftquelle zum Erhitzungssystem (13) ermöglicht.







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