DE10000082A1

DE10000082A1 - Dampfmotor und Verfahren zum Betreiben von Dampfmotoren

Info

Publication number: DE10000082A1
Application number: DE10000082A
Authority: DE
Inventors: Guenter Frank
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 2000-01-04
Publication date: 2001-05-17
Also published as: DE10055524A1

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmemotor zu schaffen, der sehr preisgünstig hergestellt und unterhalten werden kann und der sich durch besondere Eignung für die Kraft-Wärme-Kopplung sowie die Nutzung nachwachsender Brennstoffe auszeichnet. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass die für die Verdampfung notwendige Menge des Arbeitsmediums durch im kalten Bereich liegende gesteuerte Pumpen oder gesteuerte Ventile im flüssigen Zustand bemessen und in Verdampfer eingebracht wird, wobei für jeden Arbeitsraum mindestens ein Verdampfer vorhanden ist und dass die gesteuerten Ventile und/oder Pumpen außerhalb des Bereiches angeordnet sind, der beim Betrieb des Dampfmotors erhitzt wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen Dampfmotor und ein Verfahren zum Betreiben von Dampfmotoren, insbesondere zur Anwendung für Kraft-Wärme-Kopplung und für nachwachsende Brennstoffe, bei dem der Verdampfungs- und gegebenenfalls der Überhitzungsvorgang im Arbeitsraum einer Kolbenmaschine oder einem mit diesem unmittelbar verbundenen Raum erfolgt und in den die notwendige Menge des Arbeitsmediums in flüssigem Zustand eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft einem Dampfmotor und ein Verfahren zum Betreiben von Dampfmotoren, insbesondere zur Anwendung für Kraft-Wärme-Kopplung und für nachwachsende Brennstoffe, bei dem der Verdampfungs- und gegebenenfalls der Überhitzungsvorgang im Arbeitsraum einer Kolbenmaschine oder einem mit diesem unmittelbar verbundenen Raum erfolgt und in den die notwendige Menge des Arbeitsmediums in flüssigem Zustand eingebracht wird.

Der erfindungsgemäße Motor stellt einen Wärmemotor mit äußerer Wärmezufuhr dar. Die Wärmezufuhr erfolgt meist durch Verbrennung, es sind aber auch andere exotherme Reaktionen und Vorgänge, Solarwärme oder Wärmespeicher anwendbar.

Dampfenergieanlagen nach dem Clausius-Rankine-Prozeß bestehen aus mindestens einer Speisepumpe, einem Dampferzeuger, der Dampfturbine oder dem Dampfmotor und meist einem Kondensator. In der Leitung zwischen dem Flüssigkeitsvorrat und dem Kessel befindet sich vor oder hinter der Pumpe minde stens ein Rückschlag-Ventil, welches das Rückströmen des Kesselwassers bei Ausfall der Pumpwirkung von Kreiselpumpen und Injektoren verhindert. Kolben pumpen benötigen ohnehin ein Rückschlagventil auf der Druckseite und saugsei tig ein zweites Rückschlagventil oder eine Schieberanordnung. Bei ihnen kann die Funktion des Leitungs-Rückschlagventils von dem Pumpenventil mit erfüllt werden.

Als Flüssigkeit wird im allgemeinen Wasser verwendet, es sind aber auch andere Medien gebräuchlich. Zwischen Dampferzeuger und Dampfmaschine/-motor sind Steuerventile oder -schieber für die zeit- und mengengenaue Zumessung des Dampfes angeordnet. Sie sollen in möglichst kurzer Zeit, wenigen Kurbelwellen winkelgraden, den Dampfstrom möglichst ohne Drosselung stellen. Da das praktisch so nicht gelingt, entstehen hier Verluste.

Bei Kleinanlagen mit Dampfmotoren wirkt der Dampfkessel besonders begrenzend. Mit ihm sind Bau-, Masse-, Genehmigungs- und Überprüfungsaufwände sowie wesentliche Verluste verbunden. Frühe Bestrebungen, die Dampfbildung ohne Kessel direkt am oder im Zylinder vorzunehmen [6] wurden jedoch bald wieder aufgegeben [7], offenbar, weil hier Pumpe und federbelastetes Rückschlagventil den thermischen Belastungen nicht Stand hielten.

Der Grundgedanke der "unmittelbaren Dampfbildung" in sogenannten Dampfer zeugern aus schraubenförmig oder spiralig gewickelten Röhren wurde von LILIENTHAL [8, S. 500] und SERPOLLET [9] erfolgreich verwirklicht. Sie versorgten Dampfmaschinen mit üblicher Steuerung.

Dampfmaschinen und Dampfmotoren arbeiten nach dem Zweitaktverfahren. Deshalb und wegen der im Vergleich zu Otto- und Dieselmotoren geringeren Drucksteigerungsgeschwindigkeit im Arbeitszyklus ist ihr Ungleichförmigkeitsgrad geringer als bei jenen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmemotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der sehr preisgünstig hergestellt und unterhalten werden kann und der sich durch besondere Eignung für die Kraft-Wärme-Kopplung sowie die Nutzung nachwachsender Brennstoffe auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Dampfmotor arbeitet nach einem dem Clausius-Rankine-Prozeß verwandten Prozess und entsprechend dem angestreb ten Leistungsbereich von 1 bis etwa 100 kW als Kolben- oder Verdrängermaschi ne, wobei die Dampfbildung nicht in einem gesonderten Dampfkessel, sondern in einem Verdampfer nahe dem Arbeitsraum erfolgt. Zwischen Verdampfer und Arbeitsraum des Motors sind dann Steuerventile oder -schieber für den Dampf nicht erforderlich, wenn der Wasserdurchfluß vor dem Verdampfer gesteuert wird und wenn das Innenvolumen des Verdampfers hinreichend klein gehalten ist, um den schädlichen Raum des Dampfmotors nicht wesentlich zu vergrößern.

Das flüssige Arbeitsmedium wird durch gesteuerte Pumpen und/oder gesteuerte Düsen (Steuerventile) zeit- und mengengenau in den Verdampfer befördert, bei Kolbenmaschinen taktweise. Vor Schraubenexpander [11] oder andere kontinuierlich arbeitende Verdrängermaschinen oder in Strömungsmaschinen kann das Arbeitsmedium ununterbrochen eingeführt werden.

Die Pumpe und ggf. das Ventil zwischen Pumpe und Verdampfer liegen im kalten Bereich, um sie zu schützen und auf der Saugseite Dampfblasenbildung und Kavitation und auf der Druckseite Entspannungsverdampfung zu vermeiden.

Der Wärmeübergang in der erforderlichen Höhe erfolgt durch Wärmeaustauscher, die die Wärme aus Flammen, aus warmen Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen, aus einem Wärmeleiter oder Wärmerohr oder aus Strahlung in den Innenraum des Verdampfers übertragen, wo das Arbeitsmedium entsprechend der abgeforderten Leistung dosiert und in flüssigem Zustand mit der erhitzten Innenwand in Kontakt gebracht wird. Der Wärmeübergang von der erhitzten Wand an siedendes Wasser ist sehr intensiv. Wärmestromdichten von 10⁵-10⁶ W/m² sind möglich (Blasensieden) [10, D 32]. Bei größeren Tempera turunterschieden tritt Filmsieden ein mit geringeren Wärmestromdichten (Leiden frostsches Phänomen). Es hat sich gezeigt, dass durch Zwang (Normalkraft, Geschwindigkeit und Spalt) auch beim Filmsieden die Werte erhöht werden können.

Im Gegensatz zum normalen Dampfprozeß erfolgen erfindungsgemäß Verdampfung und Überhitzung zeitlich und örtlich unmittelbar auf und nebeneinander. Die gesamte eingebrachte Flüssigkeitsmenge wird - bei ausreichender Wandwärme - umgesetzt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass beim normalen Dampfprozeß die Verdampfung im Kessel isobar verläuft. Beim vorgeschlagenen Prinzip ist die Verdampfung je nach Einspritzzeitpunkt und -dauer isochor und anschließend isobar. Während des Einspritzens wird die Temperatur der Verdampferinnenwand abnehmen. Die Wärmekapazität des Verdampfers wirkt als Speicher; sie ist jedoch um Größenordnungen kleiner als die des Kesselwassers beim Normalprozeß.

Als Arbeitsmedium können Stoffe dienen, die im vorgesehenen Temperatur- und Druckbereich den Phasenwechsel flüssig - dampfförmig haben. Vorteilhaft oder notwendig sind möglichst kleine Flüssigkeits- und gleichbleibend hohe Dampfenthalpie sowie geringe Kosten, Nichttoxitität, hinnehmbare Korrosionswirkung und Umweltverträglichkeit. Obwohl Wasser die ersteren Forderungen nicht erfüllt, wird es nach wie vor am häufigsten verwendet.

Bei Verdrängermaschinen ist die Dampfführung nach STUMPF (Gleichstromanordnung) anzustreben, so entsteht ein Temperaturabfall an den Wänden, der der Dampftemperatursenkung bei der Expansion folgt, wodurch Mischungen vermindert werden. Konstruktiv ist sie durch Einlaß beim Expansionsbeginn (im Zylinderkopf) und Auslaßschlitze und/oder Ventile beim Expansionsende (am UT) zu realisieren. Der ausströmende Dampf kann in die Atmosphäre gelassen oder besser kondensiert und seine Wärme genutzt werden.

Ökonomische Vorteile bietet die vorgeschlagene Anordnung durch
Vereinfachung: Mit dem Wegfall des Dampfkessels, des Überhitzers, der Dampfleitungen und -armaturen und der Ventile oder Schieber für die Steuerung des Dampfein- und -auslasses entfallen die anteiligen Anschaffungs-, Montage-, Wartungs-, Entsorgungs- und Prüfungskosten sowie die Verluste durch Reibung, Drosselung und Mischung.
Durch Funktionsintegration des Verdampfers in die Maschine werden Masse und Volumen reduziert, damit auch die nicht wiedergewinnbare Wärme.
Reduzierte Bauteilezahl, Vereinfachung, minimaler Verschleiß erhöhen die Zuverlässigkeit, Lebensdauer und verlängern die Wartungsintervalle
Erhöhung der Sicherheit durch Wegfall des Dampfkessels. Es wird jeweils nur die für ein Arbeitsspiel erforderliche Menge des Arbeitsmediums verdampft und kurzzeitig unter hohem Druck gehalten. Dies erlaubt leichtere Bauweise.
Brennwertnutzung ist möglich.

Betriebliche Vorteile

Weil die Leistung durch den Wärmeübergang von außen nach innen begrenzt wird, ist die Maschine gegen Überlastung sicher (inhärente Sicherheit).

Gutes Teillastverhalten erlaubt wirtschaftlichen Betrieb unterhalb der Nennlast.

Die "Steuerung", d. i. die zeitlich gesteuerte Zuführung des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum, geschieht nach der Erfindung noch in der flüssigen Phase, d. h. mit sehr viel kleinerem Volumen als in der Dampfphase. Damit ist der energetische Aufwand viel geringer, Drosselungen mit ihrer nachteiligen Wirkung der Entropieerhöhung lassen sich leichter vermeiden.

Kleine Flüssigkeitsmengen sind nach dem Stand der Technik in sehr kurzer Zeit in den Arbeitsraum einbringbar. In Verbindung mit Mehrzylindrigkeit, Leichtbau, Verzicht auf Doppelbeaufschlagung der Kolben und damit auf Kreuzkopfbauweise kann die Schnelläufigkeit der Maschine und damit das Verhältnis von Leistung zu Masse und zu Bauvolumen erhöht werden.

Auch bei der Dampfbildung ist die Entropieerhöhung gegenüber der Kesselbauart geringer, da der Mischvorgang (kaltes Medium mit warmer Wand) innerhalb der Einspritzzeit bei sinkender Temperatur erfolgt. Ein die Temperatur auf dem Sättigungspunkt (isotherm) haltender Flüssigkeitsvorrat existiert im Verdampfer nicht. Sämtliche eingebrachte Flüssigkeit wird verdampft und überhitzt.

Durch das Gegenstromprinzip zwischen Flamme und Arbeitsmedium kann der Temperaturunterschied (und damit das Maß der Irreversibilität) örtlich geringstmöglich gehalten werden. Der überwiegende Anteil der Wärme wird bei hoher Temperatur auf das dampfförmige Arbeitsmedium übertragen.

Der vorgeschlagene Wärmemotor hat nur eine Wärmesenke. Für die Kraft-Wärme-Kopplung ist nur ein Wärmetauscher erforderlich. Im Grenzfall kann selbst auf diesen verzichtet werden, wenn das Kondensat für den Heizkreislauf verwendet wird. Die Betriebsweise des Dampfmotors lässt weite Variation der Abwärmetemperatur zu (30-100°C), dies kommt der Wärmeanwendung im Haushalt für Oberflächenheizungen und Brauchwassererwärmung entgegen.

Wegen des Wegfalls eines Flüssigkeitsvorrats im Verdampfer braucht beim Start nur die vergleichsweise kleine Wärmekapazität des/der Verdampfers aufgeheizt zu werden, damit ist nahezu sofortiger Start möglich. Ab drei einfachwirkenden Zylindern ist Selbststart unter Last gegeben, wenn die Speisepumpe von einem Hilfsmotor angetrieben wird oder ein Druckspeicher für das Arbeitsmedium vorhanden ist. Der Motor läßt sich leicht umsteuern.

Mit der Veränderung der eingespritzten Flüssigkeitsmenge kann die Leistung präzise und schnell gestellt werden.

Am Ende des Betriebes gibt es keinen Energieverlust durch die im Dampfkesselwasser gespeicherte Wärme.

Wegen der geringeren Wassermenge gegenüber einem Dampfkessel sind auch Frostschutzmaßnahmen einfacher zu realisieren. Selbst das Einfrierenlassen des Wasservorrates in Behältern mit flexiblen Wänden kommt in Betracht. Die Maschine und der Kondensator sind im Stillstand ohnehin leer. Es sind bei Frostgefahr nur noch die Druckleitungen zu entleeren, was automatisch geschehen kann.

Das Prinzip läßt einen weiten Leistungsbereich zu, vor allem auch zu kleinen Leistungen, das bezieht sich ebenfalls auf die Faktoren Drehzahl und Drehmoment. Der Drehmomentverlauf über der Drehzahl ist bestgeeignet für Fahrzeuge, aber auch Pumpen, Gebläse, Fertigungsmaschinen und Elektrogeneratoren können (direkt gekoppelt) angetrieben werden.

Wegen der Vielstofffähigkeit und der besonderen Eignung für nachwachsende Brennstoffe und Reststoffe sind Anwendungen möglich, bei denen Maschinen oder Anlagen ganz oder teilweise aus der Energie geernteter, anfallender oder gewonnener Stoffe betrieben werden (Stroh, Dünnholz, Algen, Wasserpflanzen, Abbruchholz, Müll, Abwasser, Öle und Fette, Ölfilme usw.), mag der Zweck der Maschinen oder Anlagen in der Ernte, Weiterverarbeitung, Energiegewinnung oder nur in der Beseitigung der Stoffe liegen. Besonders im letzteren Fall ist nicht nur eine autarke, sondern auch autonome Betriebsweise vorteilhaft.

Sowohl für die Verdampfer (z. B. Rohr-, Spalt-, Poren-, Fliehkraft- und Zerstäuberanordnungen) als auch für die Verdränger (z. B. Hub-, Kreis-, Dreh-, Schrauben- und Flügelkolbenmaschinen) ist eine Vielzahl von Bauformen anwendbar.

Hauptzweck des erfindungsgemäßen Dampfmotors ist die weitgehende Ausschöpfung der Energie als mechanische oder elektrische und Wärme durch dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), vorzugsweise im Leistungsbereich von 1-100 kW_elektrisch. Er ist aber auch als Antrieb für Maschinen, Fahrzeuge und Schiffe geeignet. Nebenzweck ist die (wahlweise) Verwendung nachwachsender Brennstoffe wie Holz, Pflanzenöl, Tierfette, Biogas aus der Vergärung und Generatorgas aus der thermischen Umsetzung von Biomassen und Reststoffen.

Diese Brennstoffe sollten ihrer geringen Energiedichte wegen nahe am Erzeu gungsort umgesetzt werden, um "Volumen"-Transporte zu reduzieren.

Ökologisch ist die Kraft-Wärme-Kopplung wünschenswert, weil sie zur Minderung des CO₂-Ausstoßes beiträgt und die Ressourcen der fossilen Energie träger schont. Deshalb ist der massenhafte Einsatz auch in Eigenheimen und Wohnungen, wo die Wärmeerzeugung den Vorrang hat, selbst bei Verbrennung fossiler Brennstoffe und auch bei kleinen Leistungen von 1-5 kW_el durchaus sinnvoll. Bei dieser Anwendung decken sich auch der Heizwärme- und Elektro energieverbrauch recht gut (hoch vor allem am Abend und im Winter, durch passendes Verbrauchsverhalten weiter unterstützbar), was wiederum die Belastungskurve der Energieversorgung glättet. Insofern kann Investition und Wartung vieler kleiner KWK als Komplettdienstleistung für Heizwärme und Strom ein Geschäftsfeld der Energie- oder Erdgasversorgungsunternehmen werden. Dennoch ist die breite Anwendung nur durchsetzbar durch geringste Anschaffungs- und Unterhaltungskosten, denn amortisieren läßt sich der Mehraufwand gegenüber einem reinen Wärmeerzeuger (Öl- oder Gasheizkessel) bei aktuellen Energiepreisen in dieser Leistungsklasse nicht.

In üblichen KWK werden meist Otto- oder Dieselmotoren in Industrie- oder Sonderausführung, seltener Stirlingmotoren [5] oder Brennstoffzellen verwendet.

Otto- und Dieselmotoren benötigen mindestens zwei Wärmeaustauscher, für den Motorblock und das Auspuffgas, zuweilen auch für das Öl. Sie werden bis etwa 5 kW_el noch als Einzylinder gebaut, dies erfordert große Schwungräder, vor allem bei Viertakt- und Dieselmotoren, sorgfältigen Massenausgleich und aufwendige Schwingungsisolation. Der Wartungsaufwand ist selbst bei Sonderausführungen hoch.

Anspruchsvolle Stirlingmotoren erfordern sehr hohen Bauaufwand für den Wärmeübergang vom Erhitzer an das Arbeitsmedium, üblicherweise viele Röhrchen aus hitzebeständigem und teurem Werkstoff. Ihre Verbindung mit dem Arbeitsraum muss ebenso wie die Kolbenstangendurchführung gegenüber dem Arbeitsgas, meist Helium, bei hohem Druck und hoher Temperatur dicht sein. Wegen der hohen Temperaturen, im Erhitzer um 650°C, kann der Kolben nicht mit Öl geschmiert werden. Der mittlere Innendruck ausgeführter Maschinen beträgt etwa 50 bar, es werden Maximalwerte von 200 bar erreicht. Dies erfordert große Materialquerschnitte und schwere Bauweise, auch beim Triebwerk. Deshalb werden besondere Lösungen für den Massenausgleich gewählt. So sind Stirlingmotoren dieser anspruchsvollen Bauart verhältnismäßig teuer. Wegen der thermischen Trägheit ist das Stellen der Motorleistung allein über die Wärmezufuhr langsam. Wenn es auf schnelle Reaktion ankommt, muss der Innendruck verändert werden. Die engen Querschnitte zwischen den Erhitzerröhrchen sind empfindlich für Flugasche im Brenngas von Biomassen.

Brennstoffzellen benötigen besonders reine Brenngase. Öl, Kohle und Biomassen sind noch nicht direkt verwendbar. Auch ist ihr Preis für breiten Einsatz noch zu hoch. Ihr prinzipieller Vorteil, dass sie nicht an die Begrenzung der thermodynamischen Kreisprozesse, einschließlich des Carnot-Prozesses, gebunden sind und deshalb höhere Wirkungsgrade haben können, wird dort, wo die Abwärme das wichtigste Produkt ist, nicht wirksam.

Die Erfindung wird im Folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert:

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch die Gesamtanordnung des Dampfmotors,

Fig. 2 den Längsschnitt durch einen Rippenrohr-Verdampfer,

Fig. 3 den Längsschnitt durch einen Verdampfer mit Wärmerohr,

Fig. 4 einen Rohrverdampfers mit stetig wachsendem Querschnitt im Längsschnitt,

Fig. 5 die Ansicht eines Rohres mit stetig wachsendem Querschnitt und Angaben der Flammen- und Dampfstrom richtung,

Fig. 6 eine schraubenförmige Ausführung eines Verdampferrohres mit wachsendem Querschnitt,

Fig. 7 den Querschnitt durch einen Verdampferkörper mit porösem Innenteil,

Fig. 8 den Querschnitt durch einen Verdampfer mit einem Spalt wachsenden Querschnitts und

Fig. 9 einen mit einem Brenner baulich vereinten Verdampfer.

In Fig. 1 ist der Querschnitt durch einen Dampfmotor in der Bauart einer einfachwirkenden Gleichstrom-Tauchkolbenmaschine dargestellt. In den Zylinderdeckel (16) ist ein Rippenrohrverdampfer (1) integriert, der von einer Gas- oder Ölbrennerflamme (2) erhitzt wird. Bei einem Reihenmotor überstreicht die Flamme mehrere Verdampfer oder jeder Verdampfer wird von einer eigenen Flamme versorgt. Das Abgas der Flamme erwärmt im Gegenstrom die Verbrennungsluft (3) für diese, wodurch es bis auf den Taupunkt abgekühlt werden kann.

Eine Steuerung regelt die Temperatur des Verdampfers, z. B. auf den höchstmöglichen konstanten Wert. Da der Wärmeübergang von außen nach innen der begrenzende Vorgang ist, wird sich bei hoher Leistungsabforderung eine geringere innere Verdampfertemperatur ergeben, auch bei Maximalleistung des Brenners. Da der Wirkungsgrad der Maschine mit der Temperatur steigt, hat sie im Teillastbetrieb einen günstigeren Wirkungsgrad als bei Vollast. Dies ist für Antriebe mit wechselnder Belastung, wie Fahrzeugantriebe, vorteilhaft. Bei KWK empfiehlt sich deshalb, die Maschinen überzudimensionieren. So können auch Spitzenbelastungen ohne Zusatzheizkessel aufgefangen werden. Außerdem erlaubt der geringe Maschinenpreis diesen Weg.

Eine ("Speise"-)Pumpe (4) mit integriertem Rückschlagventil fördert das Arbeitsmedium, hier Wasser, mit einem Druck, der höher ist als der bei der Verdampfung entstehende Spitzendruck, über ein Steuerventil (5) in den Verdampfer. Das Ventil stellt Zeitpunkt und Menge des Arbeitsmediums. Es öffnet beim Oberen Totpunkt und schließt, sobald die für die Leistung notwendige Wassermenge durchgeflossen ist. Das oder die Ventile können auch elektronisch gesteuert und elektrisch betätigt werden. Die Pumpe und zugehörige Ventile können auch baulich getrennt sein. Sie liegen außerhalb der Flamme.

Die Pumpe wird entweder von dem besagten Dampfmotor oder von einem Hilfsmotor (6) angetrieben. Im ersten Fall benötigt der Dampfmotor einen Startmechanismus oder einen Druckspeicher für das Arbeitsmedium.

Im Verdampfer wird das Wasser durch eine Düse (7) beschleunigt und gegen die erhitzte Innenwand des Verdampfers gespritzt und in engen Kontakt gebracht, wodurch es sehr schnell verdampft. So realisieren die Verdampfer im Sinne der Erfindung die Funktionen des Dampfkessels und des Überhitzers üblicher Dampfanlagen. Große Querschnitte (15) im Verdampfer und zwischen dem Verdampfer und dem Zylinder verhindern eine Drosselung und damit eine Entropieerhöhung des Dampfstromes. Durch engen Spalt zwischen Kolben und Zylinderdeckel (16) bleibt der schädliche Raum trotz dieser Querschnitte hinnehmbar.

Nach der Expansion strömt der Dampf durch Schlitze aus dem Zylinder, entweder in die Atmosphäre (Auspuffbetrieb) oder in einen Kondensator (8), wo das Kondensat und vor allem die Abwärme mittels Wärmeaustauscher (14) gewonnen werden. Die Restenergie des ausströmenden Dampfes kann mit einer nachgeschalteten Kleindampfturbine genutzt werden, so z. B. zum Antrieb des Lüfters für den Kondensator und/oder des Brennergebläses. Zur Steuerung des Auslasses können außer Schlitzen auch Ventile und Schieber, auch in Kombination, verwendet werden.

Geschmiert wird die Maschine entweder mit Öl, einer Öl-Wasser-Emulsion, mit synthetischen Schmiermitteln hoher Temperaturbeständigkeit, mit Festschmiermitteln wie Graphit oder Molybdändisulfid oder mit Kombinationen der genannten Mittel oder mit dem Arbeitsmedium der Maschine, also im Beispiel mit dem kondensierten Wasser. Der Verzicht auf Öl oder andere Schmierstoffe senkt den Wartungs- und Entsorgungsaufwand. Die Speisepumpe kann dann die Aufgabe der Schmierstoffpumpe (Leitung 9) mit übernehmen. In diesem Fall besteht eine Verbindung (10) zwischen dem Kurbelgehäuse und dem Kondensatbehälter (11).

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Speisepumpe über einen separaten Antrieb verfügt. Dann sind Vorschmierung und hydrostatische Schmierung möglich, also praktisch verschleißfreier Betrieb!

Der Maschinenzylinder ist gegen Wärmeverluste isoliert (12). Der Kolben ist zur Isolation entweder mit einem isolierenden Zwischenraum (Luft oder Vakuum) (13) versehen und/oder er besteht aus einem Werkstoff mit geringem Wärmeleitvermögen, z. B. Keramik.

In einer Kraft-Wärme-Kopplung kann der Motor als Ein- oder Zweizylinder von dem Generator als Startmotor angeworfen werden, weil er im Vergleich zu einem Dieselmotor gering verdichtet ist. Als Dreizylinder ist er ohnehin eigenstartfähig. Für Fahrzeuge und Schiffe ist wichtig, dass der Motor leicht umgesteuert werden kann.

In der Kraft-Wärme-Kopplung kann die erwähnte Auspuffturbine oder der Dampfmotor auch den Lüfter für die Gebäudebelüftung einschließlich Wärmerückgewinnung antreiben. Im Grenzfall wird die im Kondensator erwärmte Luft direkt, also ohne üblichen Heizwasserkreislauf, zur Gebäudebeheizung verwendet und (ein Teil der) Gebäudeabluft dem Dampfmotor als Verbrennungsluft zugeführt. Besonders vorteilhaft ist die Kombination des Dampfmotors in der KWK mit einer Wärmepumpe.

Einfachheit der Bauweise und die konstruktive Nähe zu Otto- und Dieselmotoren lassen zu, dass neue oder recycelte Baugruppen solcher Motoren für Dampfmotoren nach der Erfindung weiterverwendet werden.

Fig. 2 erläutert die Wirkungsweise eines Rippenrohr-Verdampfer (1). Das flüssige Arbeitsmedium tritt durch die Zuleitung (17), wird mittels der hier offenen Düse (7) auf die Geschwindigkeit v beschleunigt und gelangt dann in den Innenraum des Verdampferrohres mit dem Innenradius r, wo es wegen der tangentialen Zuleitung durch Fliehkraft an die Wand gedrückt wird. Der Wärmeübergangskoeffizient erhöht sich mit wachsender Fliehbeschleunigung a = v²/r. Auf diese Weise ist der innere Wärmeübergang auch bei hohen Leistungen realisierbar. Der äußere Wärmeübergang kann in bekannter Weise durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Flamme, durch Vergrößerung der Oberfläche, durch Werkstoffe mit gutem Wärmeleitvermögen und durch Wirbel, vor allem in Strömungsrichtung, erhöht werden.

In Fig. 3 ist ein Rohrverdampfer (1) im Längsschnitt dargestellt. Hierbei wird die Wärme durch ein Wärmerohr (18) mit "kaltem" Austauschraum zugeführt. Seine warme Seite (19) wird durch eine Flamme (2) beheizt. Mit Wärmerohren sind Wärmeflußdichten bis 10⁶ W/m² möglich [12].

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform für einen Rohrverdampfer mit stetig wachsendem Querschnitt bis zum Deckel des Arbeitsraumes (16). Hierdurch kann das zunehmende Dampfvolumen trotz anfänglich kleinem Radius aufgenommen werden. Dieser Verdampfer ist ohne Rippen oder Wärmerohr dargestellt.

In Fig. 5 ist ein Rohr mit stetig wachsendem Querschnitt dargestellt. Rippen oder Wärmerohr sind auch in dieser Darstellung weggelassen. Das flüssige Arbeitsmedium tritt hier an der Eintrittststelle (20) ein und verlässt das Rohr an der Austrittsstelle (21). Die Flamme (2) strömt entgegengesetzt, damit ist die Temperatur an der Austrittsstelle (21) größer als an der Eintrittststelle (20).

Fig. 6 erläutert die Ausführung eines Verdampferrohres mit stetig wachsendem Querschnitt, das schrauben- und spiralförmig geformt ist. Es ist auch möglich das Verdampferrohr mäanderförmig gewickelt auszuführen. Auch hierbei sind Rippen nicht dargestellt.

Aus Fig. 7 ist der Querschnitt durch einen Verdampferkörper mit porösem Innenteil ersichtlich. Das Innenteil kann dabei z. B. als Drahtmatrix - wie in Fig. 7.1 dargestellt - oder in Form eines regellosen Gitters - wie in Fig. 7.2 dargestellt - ausgebildet werden. Die Poren sind untereinander verbunden und ergeben einen schwammig-porösen Körper (im Gegensatz zu teigig-porös wie im Teig).

Fig. 8 zeigt den Querschnitt durch einen Verdampfer mit einem Spalt wachsenden Querschnitts bei etwa gleichbleibender Spaltbreite.

Fig. 9 erläutert einen Verdampfer, der mit einem Brenner baulich vereint ist. Die Poren des Verdampfers sind untereinander verbunden, jedoch getrennt von den Poren des Brenners, die ihrerseits miteinander verbunden sind. Die Verbrennung kann durch Katalyse unterstützt sein. Das flüssiges Arbeitsmedium (20) strömt in den Brenner, in den auch die Gaszuführung (22) und die Luftzufuhr (3) erfolgt, und verlässt den Brenner als dampfförmiges Arbeitsmedium (21) durch den Zylinderdeckel 16. Das Abgas (23) strömt seitlich aus dem Brenner. Mit einer solchen Anordnung ist der geringste Temperaturunterschied zwischen Flamme und Arbeitsmedium erreichbar.

Literatur

[1] Zahoransky, R.; Knöringer, P.; Schelling, U.; Wittig, S.: Anmerkungen zum Einsatz und Wirkungsgrad kleiner Kraftmaschinen - Turbinen, Dampfotor und Schraubenexpander Wärme 91(1985) H. 4, S. 43-53
[2] Thermische Biomassenutzung (Tagung Salzburg 1997). Düsseldorf: VDI-Verlag. (VDI-Ber. Nr. 1319). S. 109 ff.
[3] Imfeld. K.; Roosen, R.: Neue Dampffahrzeuge ZVDI 78(1934) Nr. 3, S. 65-74
[4] Meurer, S.: Motoren nicht konventioneller Art ATZ 72(1970), Nr. 8, S. 297-299
[5] Baumüller, A.; Hegner, M.: Stand der Entwicklung bei Stirlingmotoren - erste Ergebnisse eines Feldversuches mit Blockheizkraftwerken GASWÄRME International 46(1997) H. 3, S. 156-161
[6] Rothe: Dampfmotor für das Kleingewerbe. Der Gewerbemotor von Wilhelm Schmidt ZVDI XXXI (1887) Nr. 32, S. 680-681
[7] Schöttler, R.: Die Kraftmaschinen auf der Kleingewerbeausstellung in München Gewerbemotor Excelsior nach Wilhelm Schmidt ZVDI XXXI (1888) Nr. 50, S. 1136-1138
[8] Knoke, J. O. Die Kraftmaschinen des Kleingewerbes 2 Aufl. -Berlin: Springer, 1899
[9] Serpollet's Dampferzeuger ZVDI XXXII (1888) Nr. 51, S. 1167
[10] Taschenbuch für den Maschinenbau/Dubbel Hrsg.: Beitz, W.; Grote, K.-H. 19. Aufl. -Berlin, Heidelberg . . . .: Springer, 1997
[11] Hanselmann, G.; Ahmadi, B.; Schurrer, J.: Entwicklung und Erprobung von schiebergesteuerten Schraubenmaschinen und des erforderlichen Maschinenkreislaufes als Grundlage für die Auslegung solarer Kleinkraftanlagen mit Leistung von 50-540 kW BMFT-FB-T84-027
[12] Dunn, P.; Reay, D. A.: Heat pipes. - 2^nd

ed. Oxford, New York, Toronto, Sydney, Paris, Frankfurt: Pergamon Press, 1978

BEZUGSZEICHENLISTE

1

(Rippen-Rohr-)Verdampfer

2

Flamme

3

Verbrennungsluft

4

Speisepumpe

5

Steuerventil

6

Motor für Pumpe

7

Düse

8

Kondensator

9

Schmierstoffzuleitung

10

Schmierstoffableitung wenn Schmierstoff gleich Arbeitsmedium

11

Kondensatbehälter

12

Isolation der Zylinder/des Arbeitsraumes

13

Isolationszwischenraum im Kolben

14

Wärmeaustauscher für Heizmedium

15

Querschnitt im Verdampfer und der Verbindung zwischen Verdampfer und Arbeitsraum

16

Zylinderdeckel/Wand des Arbeitsraumes

17

Zuleitung für Arbeitsmedium

18

"Kalte" Seite eines Wärmerohres

19

Wärmerohr

20

Eintrittstelle des flüssigen Arbeitsmediums

21

Austrittsstelle des dampfförmigen Arbeitsmediums

22

Brenngaszuführung

23

Abgas

Claims

1. Verfahren zum Betreiben von Dampfmotoren, insbesondere zur Anwendung für Kraft-Wärme-Kopplung und für nachwachsende Brennstoffe, bei dem der Verdampfungs- und gegebenenfalls der Überhitzungsvorgang im Arbeitsraum einer Kolbenmaschine oder einem mit diesem unmittelbar verbundenen Raum erfolgt und in den die notwendige Menge des Arbeitsmediums in flüssigem Zustand eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Verdampfung notwendige Menge des Arbeitsmediums durch im kalten Bereich liegende gesteuerte Pumpen oder gesteuerte Ventile im flüssigem Zustand bemessen und in Verdampfer eingebracht wird, wobei für jeden Arbeitsraum mindestens ein Verdampfer vorhanden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei taktweise arbeitenden Dampfmotoren die für den Verdampfungs- und Überhitzungsvorgang notwendige Menge des Arbeitsmediums für jedes Arbeitsspiel gesondert eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei kontinuierlich arbeitenden Maschinen das Arbeitsmedium kontinuierlich eingebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium vom Verdampfer zur Maschine unmittelbar, ohne Ventile oder Steuerelemente geführt wird.

5. Dampfmotor nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerten Ventile und/oder Pumpen außerhalb des Bereiches angeordnet sind, der beim Betrieb des Dampfmotors erhitzt wird.

6. Dampfmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Arbeitszylinder mehrere Verdampfer parallel geschaltet sind.

7. Dampfmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verdampfern Wärmerohre angeordnet sind.

8. Dampfmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Verdampfer über gesteuerte Ventile aus einer gemeinsamen Hochdruckleitung mit dem Arbeitsmedium versorgt wird.

9. Dampfmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfmotor in einem Fahrzeug angebracht ist und zwischen mindestens einer Fahrzeugbremse und einem Verdampfer Wärmeleiter angeordnet sind.

10. Dampfmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verbrennungsgas und Arbeitsmedium Brenner mit verteilter Verbrennung und verteiltem Kontakt angeordnet sind.

11. Dampfmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfmotor neue oder recycelte Baugruppen aus Otto- und/oder Dieselmotoren enthält.

12. Dampfmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfmotor mit Lüfter, Gebläse, Wärmepumpen oder weiteren Hilfs antrieben für Gebäude oder Anlagen verbunden ist.

13. Dampfmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium tangential in rohrförmige Verdampfer gespritzt wird.

14. Dampfmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfer einen sich erweiternden Querschnitt aufweisen.

15. Dampfmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß rohrförmige Verdampfer spiralig, schrauben- oder mäanderförmig ausgebildet sind.