DE102004005742A1

DE102004005742A1 - Verfahren zur Verminderung des Verschleißes an Dicht- und Führungselementen für einen Kolben oder einen Schieber in einer nicht mit Öl geschmierten und mit einem gasförmigen Arbeitsmittel betriebenen Hubkolben-Maschine und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102004005742A1
Application number: DE200410005742
Authority: DE
Inventors: Thorsten Voss
Original assignee: SPILLING EN SYSTEME GmbH; SPILLING ENERGIE SYSTEME GmbH
Current assignee: SPILLING EN SYSTEME GmbH; SPILLING ENERGIE SYSTEME GmbH
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2004-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung des Verschleißes an Dicht- und Führungselementen für einen Kolben oder Schieber in einer nicht mit Öl geschmierten und mit einem gasförmigen Arbeitsmittel betriebenen Hubkolben-Maschine und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in den tribologischen Systemen der mit einem heißen, gasförmigen Arbeitsmittel, beispielsweise Heißdampf oder heißem Gas, betriebenen Hubkolben-Maschinen, bestehend aus Laufbuchsenoberfläche und Kolbenring bzw. Schieber- und Führungsring, Bedingungen zu schaffen, die dem Sattdampfbetrieb vergleichbar sind, ohne dabei das Arbeitsmittel einerseits wesentlich thermodynamisch nachteilig zu verändern und andererseits einer Nachbehandlung unterziehen zu müssen. Dies wird verfahrenstechnisch dadurch erreicht, dass dem Arbeitsmittel als kontinuierliche Phase (D), zeitlich gesehen, vor der an ihr durchzuführenden ersten Zustandsänderung im Rahmen eines zugeordneten thermodynamischen Prozesses eine disperse Phase (W) zugeführt wird, wobei die disperse Phase (D) eine Flüssigkeit ist, die den thermodynamischen Prozess in der Hubkolben-Maschine nicht nennenswert nachteilig beeinflusst und die in der die Hubkolben-Maschine verlassenden kontinuierlichen Phase (D) verbleiben kann und deren Menge und Dispergierungsgrad so gewählt werden, dass die notwendige Zeit in ihrer vollständigen Verdampfung ihre gegebene mittlere Verweilzeit in der ...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung des Verschleißes an Dicht- und Führungselementen für einen Kolben oder einen Schieber in einer nicht mit Öl geschmierten und mit einem gasförmigen Arbeitsmittel betriebenen Hubkolben-Maschine und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens. Bei dem Arbeitsmittel handelt es sich zum Beispiel um Gas, insbesondere Erdgas, oder Wasserdampf in Form von Heißdampf. Die in Frage kommenden Hubkolben-Maschinen sind dabei in der sog. Trockenlauftechnik konzipiert. Dabei werden Gleitpaarungen, die unter dem Arbeitsmittel Dampf oder Gas arbeiten, aus Materialpaarungen hergestellt, die selbstschmierende Eigenschaften besitzen. Die in Rede stehenden Gleitpaarungen bilden der durch das gasförmige Arbeitsmittel angetriebene Kolben in seiner Kolbenlaufbuchse und der den gasförmigen Arbeitsmittelstrom in den und aus dem Zylinder steuernde Schieber in seiner zugeordneten Schieberlaufbuchse. Bei Verwendung von Führungsringen berührt die Mantelfläche des Kolbens bzw. jene des Schiebers die jeweils zugeordnete Laufbuchse nicht, sondern hier ist in jedem Falle ein sehr großzügig bemessenes radiales Spiel vorgesehen.

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Gleitpaarung zwischen Kolben bzw. Schieber einerseits und der jeweils zugeordneten Laufbuchse andererseits, und zwar bei solchen Hubkolben-Maschinen, die in der vorg. Trockenlauftechnik konzipiert sind. Im Kolben bzw. Schieber sind zum einen die Dichtelemente angeordnet, die sog. Kolben- bzw. Schieberringe, die in Mehrfachanordnung hintereinander die Abdichtung übernehmen. Zum andern ist zur Führung des Kolbens bzw. des Schiebers innerhalb der zugeordneten Laufbuchse wenigstens ein Führungselement, ein Kolben- bzw. Schieberführungsring, vorgesehen.

Die Laufbuchsen bestehen aus einem verschleißfesten metallischen Werkstoff (z.B. Schleuderguss (GGZ), Stahl oder Ni-Resist Gusseisen), wobei die Lauffläche eine möglichst geringe Oberflächenrauhigkeit und eine große Oberflächenhärte, beispielsweise erzeugt durch spezielle Oberflächenhärtungsverfahren oder Beschichtungen, aufweisen muss. Die Kolben- und Schieberringe sowie die Kolben- und Schieberführungsringe bestehen aus nichtmetallischen Materialien, im Anwendungsfall für höhere Temperaturen sind dies darüber hinaus relativ spröde Materialien, wobei für mit Gas (z.B. Erdgas) beaufschlagte Hubkolben-Maschinen (z.B. Kolbenmotore oder Kolbenkompressoren) vorzugsweise Polytetrafluorethylene (PTFE) und für mit Dampf auf hohem Druck- und Temperaturniveau beaufschlagte Hubkolben-Maschinen vorzugsweise Kohlenstoff-Graphit-Werkstoffe Anwendung finden.

Statistische Untersuchungen belegen, dass mit Sattdampf oder geringfügig überhitztem Heißdampf betriebene Hubkolben-Maschinen, die mit den vorstehend kurz dargestellten tribologischen Systemen ausgestattet sind, einen deutlich niedrigeren Verschleiß an Kolbenringen und – soweit vorhanden – an Schieber- und Führungsringen aufweisen, als Maschinen, die mit stark überhitztem Heißdampf betrieben werden. Dies kann bei Kraftmaschinen dadurch erklärt werden, dass der Sattdampf bei dessen Durchgang durch die Maschine eine geringfügige Entspannung in den Bereich des Nassdampfgebietes erfährt. Die dabei in geringem Maße auskondensierenden Wasseranteile schlagen sich teilweise an den etwas kälteren Laufbuchsenoberflächen in Gestalt von Wassertropfen nieder. Dieses Wasser kühlt dann in Form eines mehr oder weniger geschlossenen Wasserfilmes die Kolben-, Schieber- und Führungsringe und schafft somit günstigere tribologische Bedingungen an den Gleitpaarungen.

Dieser Effekt kommt in besonderer Weise dann zum Tragen, wenn die Kolbenund Schieberringe sowie die Kolben- und Schieberführungsringe aus den vorste hend kurz dargestellten tribologischen Systemen hergestellt sind, deren selbstschmierende Eigenschaften unter der Wirkung von Feuchtigkeit positiv beeinflusst werden. Im Gegensatz hierzu endet die Entspannung von Heißdampf noch im überhitzten Bereich, so dass in diesen Fällen die positive Wirkung der auskondensierenden Wasseranteile nicht gegeben ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in den tribologischen Systemen der mit einem gasförmigen Arbeitsmittel, beispielsweise Heißdampf oder heißem Gas, betriebenen Hubkolben-Maschinen, bestehend aus Laufbuchsenoberfläche und Kolbenring bzw. Schieber- und Führungsring, Bedingungen zu schaffen, die dem Sattdampfbetrieb vergleichbar sind, ohne dabei das Arbeitsmittel einerseits wesentlich thermodynamisch nachteilig zu verändern und andererseits einer Nachbehandlung unterziehen zu müssen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind gekennzeichnet durch die Merkmale der Ansprüche 11, 13 oder 15. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorgeschlagenen Anordnungen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Die verfahrenstechnische Lösung besteht darin, dass dem Arbeitsmittel als kontinuierlicher Phase, zeitlich gesehen, vor der an ihr durchzuführenden ersten Zustandsänderung im Rahmen eines zugeordneten thermodynamischen Prozesses eine disperse Phase zugeführt wird. Dabei handelt es sich bei der dispersen Phase um eine relativ kleine Menge Flüssigkeit, die den thermodynamischen Prozess in der Hubkolben-Maschine nicht nennenswert nachteilig beeinflusst und die in der die Hubkolben-Maschine verlassenden kontinuierlichen Phase verbleiben kann, ohne beispielsweise abgeschieden zu werden. Dabei sind der Einspritzort, die Menge und der Dispergierungsgrad (Tropfengröße) der dispersen Phase so auf die Strömungsgeschwindigkeit und die thermischen Bedingungen der kontinuierlichen Phase abgestimmt, dass die notwendige Zeit bis zur vollständigen Verdampfung der dispersen Phase deren gegebene mittlere Verweilzeit in der Hubkolben-Maschine deutlich übersteigt.

Das vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft anwendbar, wenn es sich bei der kontinuierlichen Phase um Gas, insbesondere Erdgas, oder Wasserdampf in Form von Heißdampf jeweils auf hohem Druck- und Temperaturniveau handelt.

Eine besonders signifikante Verminderung des Verschleißes an Dicht- und Führungselementen ist dann zu beobachten, wenn das erfindungsgemäße Verfahren auf eine an sich bekannte Gleitpaarung angewendet wird, bei der die von der kontinuierlichen Phase beaufschlagten Dicht- und Führungselemente aus einem ersten Gleitelement (Kolben-/Schieberring; Kolben-/Schieberführungsring) gebildet wird, das aus einem im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Werkstoff besteht, dessen Poren mit Metall, einer Metalllegierung, einer Keramik, einem Kunstharz und/oder Pech, das karbonisiert wurde, gefüllt sind, und bei dem der Werkstoff des zweiten Gleitelementes der Gleitpaarung (Laufbuchse) ein eisenhaltiger, vorzugsweise mit Chrom und/oder Nickel legierter hochwarmfester Werkstoff ist, der mindestens an der Gleitfläche mit einer Nitrierschicht versehen ist ( EP 1 045 128 B1 ; DE 101 28 055 C2 ).

Bei der Verwendung von Wasserdampf als kontinuierlicher Phase werden die von dem erfindungsgemäßen Verfahren einzuhaltenden thermodynamischen und sonstigen Bedingungen vorteilhaft dadurch erfüllt, dass Wasser als disperse Phase vorgesehen ist. Dies trifft auch für Gas (beispielsweise Erdgas, Sauerstoff (O₂), Stickstoff (N₂)) als kontinuierlicher Phase zu, wenn die hinter der Hubkolben-Maschine im Gas verbleibenden Wasseranteile nicht als nachteilig angesehen werden. Andernfalls ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, in diesen Fällen als disperse Phase das gleiche Gas in tiefkaltem verflüssigtem Zustand zu verwenden.

Zur optimalen Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an den jeweiligen thermodynamischen Prozess in der speziellen Hubkolben-Maschine und die daraus resultierende mittlere Verweilzeit der diese Maschine durchströmenden kontinuierlichen Phase (Arbeitsmittel) sieht eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass Menge und/oder Dispergierungsgrad (z.B. Tropfengröße) der dispersen Phase definiert veränderbar sind/ist.

Am Beispiel eines mit Heißdampf bzw. heißem Gas betriebenen Hubkolben-Motors bedeuten die vorstehend vorgeschlagenen verfahrenstechnischen Maßnahmen, dass Wasser in relativ kleiner Menge gezielt in das Arbeitsmittel gespritzt wird, bevor dieses in den jeweiligen Zylinder eintritt. Dabei sind der Einspritzort und die Tropfengröße so auf die Strömungsgeschwindigkeit und die thermischen Bedingungen des Arbeitsmittels Heißdampf bzw. heißes Gas abzustimmen, dass die notwendige Zeit bis zur vollständigen Verdampfung der Tropfen die gegebenen mittlere Verweilzeit dieser Tropfen in der Maschine deutlich übersteigt. Damit das Arbeitsmittel Heißdampf bzw. heißes Gas nicht wesentlich thermodynamisch nachteilig verändert wird, was der Fall wäre, wenn sich das Arbeitsmittel signifikant abkühlt, muss die eingespritzte spezifische Wassermenge, bezogen auf den Heißdampf- bzw. Gasdurchsatz, einerseits relativ gering bleiben, andererseits dürfen beim Durchgang durch die Maschine die Wassertropfen nicht vollständig verdampfen, da ansonsten die gewünschte Beeinflussung des tribologischen Systems durch Niederschlag von Wassertropfen bzw. Bildung eines Wasserfilms im Bereich der Gleitpaarungen nicht erreichbar ist.

Die thermodynamischen und stofflichen Wirkmechanismen bei der Verdampfung einer in Tropfenform vorliegenden dispersen Phase, nachfolgend dargestellt an der Verdampfung eines Wassertropfens in überhitztem Wasserdampf bzw. heißem Gas, sind zumindest qualitativ beschreibbar; eine quantitative Abschätzung des Vorgangs ist näherungsweise möglich. Das Ergebnis dieser Abschätzung zeigt, dass die vorstehend erwähnte Schlüsselbedingung, nämlich dass die notwendige Verdampfungszeit der Wassertropfen deren beim Durchgang durch die Maschine gegebene mittlere Verweilzeit deutlich übersteigen soll, zu verwirklichen ist. Die unvermeidbare Teilverdampfung der Wassertropfen im umgebenden Heißdampf bzw. heißen Gas ist einerseits gekennzeichnet durch die Übertragung eines Wärmestromes Q_t aus dieser Umgebung, die die Dampf- bzw. Gastemperatur ϑ_D aufweist, an den im Wesentlichen kugelförmigen Wassertropfen, der eine Tropfentemperatur ϑ_T besitzt. Der Wassertropfen erwärmt sich an der Einspritzstelle zunächst auf die vom Druck p des Arbeitsmittels in der Maschine abhängige Siedetemperatur ϑ_S = ϑ_T. Die notwendige Verdampfungswärme r wird dem Heißdampf bzw. heißen Gas entzogen und kühlt diesen bzw. dieses partiell ab. Andererseits ist der Vorgang gekennzeichnet durch einen Stofftransport, da das verdampfte Wasser von der Tropfenoberfläche weg in die Umgebung transportiert werden muss.

Ein vereinfachtes mathematisches, strömungsphysikalisches und thermodynamisches Modell der Tropfenverdampfung (1) liefert unter Berücksichtigung einer Wärmeübergangszahl α bei Verdampfung, der Verdampfungswärme r, der Dichte des Wassertropfens ρ' bei Siedetemperatur ϑ_S und der treibenden Temperaturdifferenz für den Wärmetransport Δϑ = ϑ_D – ϑ_T = ϑ_D – ϑ_S die nachfolgende Funktion für die von der Zeit t abhängige Abnahme des Tropfendurchmessers d = f(t), wenn der Wassertropfen mit einem Anfangsdurchmesser d₀ in den Heißdampf bzw. das heiße Gas eingespritzt wird:

Für d = 0 ergibt sich aus Gleichung (1) die notwendige Verdampfungszeit t* bis zur vollständigen Verdampfung des Wassertropfens mit

Eine numerische Auswertung von Gleichung (1a) liefert notwendige Verdampfungszeiten t* bis zur vollständigen Verdampfung des Wassertropfens, die wenigstens um eine Größenordnung größer als die mittlere Verweilzeit τ der Trop fen in der Hubkolben-Maschine (z.B. Dampf- bzw. Gasmotor) ist (s. nachfolgendes numerisches Beispiel; Ergebnisse siehe 2). Dabei werden Drehzahlen der mit Dampf bzw. Gas beaufschlagten Hubkolben-Maschinen von n = 750 bis 1500 min^–1 zugrunde gelegt, was einer mittleren Verweilzeit τ = 0,08 bis 0,04 s entspricht.

Numerisches Beispiel:

Anfangsdurchmesser d₀ = 0,15 mm
Wärmeübergangszahl α = 1000 bis 2000 W/(m²K)
Dampf- bzw. Gastemperatur ϑ_D = 380 °C
Druck bei der Verdampfung p = 30 bar – Tropfentemperatur (Siedetemperatur) ϑ_T = ϑ_S = 234 °C – Dichte des Wassers bei der Siedetemperatur ρ = ρ' = 822 kg/m³ – Verdampfungswärme r = 1798 kWs/kg

Nach Gleichung (1a) ergibt sich mit den vorstehenden Werten eine notwendige Verdampfungszeit bis zur vollständigen Verdampfung (s. auch 2)

Für mittlere Verweilzeiten von τ = 0,08 bis 0,04 s (entspricht Drehzahlen n = 750 bis 1500 min^–1) zeigt die vorstehende vereinfachende Betrachtung, dass die notwendigen Relationen zwischen mittlerer Verweilzeit τ und notwendiger Verdampfungszeit t* ohne weiteres realisierbar sind (t*/τ ≈ 10 bis 40).

Eine wesentliche Steuerungsgröße ist dabei der Anfangsdurchmesser d₀ des Wassertropfens, der durch die geometrische Ausgestaltung der Einspritzdüse und den Einspritzdruck in Grenzen beeinflussbar ist. Die thermodynamischen Variablen, die Dichte ρ des Wassers, die Verdampfungswärme r des Wassers und die für den Wärmeübergang bei Verdampfung maßgebliche Temperaturdifferenz Δϑ liegen bei einer Hubkolben-Maschine (z.B. einem Dampf- bzw. Gasmotor) im Wesentlichen fest und können bei dem hier in Rede stehenden Verdampfungsvorgang nicht mehr maßgeblich verändert werden. Die Wärmeübergangszahl α für Verdampfung ist unter anderem beeinflusst von den Strömungsbedingungen in der Hubkolben-Maschine, die sich, beginnend am Einspritzort, im weiteren Durchlauf des Tropfens durch die Maschine laufend verändern. Hier ist vor allem die örtliche Strömungsgeschwindigkeit v des Heißdampfes bzw. heißen Gases auf dem Weg durch die Maschine zu nennen. Diese Wärmeübergangsbedingungen sind im Voraus nicht exakt berechenbar und werden zweckmäßigerweise im Versuch ermittelt bzw. überprüft.

Gemäß einem ersten Vorschlag wird die disperse Phase der kontinuierlichen Phase kontinuierlich am Einspritzort zugeführt. Alternativ hierzu sieht ein zweiter Vorschlag eine intermittierende Zufuhr vor, wobei letztere entweder abhängig oder unabhängig von der Drehfrequenz der Hubkolben-Maschine sein kann, was konkret bedeutet, dass entweder eine Synchronisation zwischen Kurbelwellendrehung und Einspritzfrequenz vorgesehen oder dass die Einspritzfrequenz ungleich zur Drehfrequenz der Kurbelwelle und damit der Hubkolben-Maschine ausgestaltet ist.

Die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in drei Ausgestaltungsformen vorgeschlagen, wobei in jedem Falle eine schieber- oder ventilgesteuerte und mit einem gasförmigen, auf hohem Druck- und Temperaturniveau befindlichen Arbeitsmittel betriebene Hubkolben-Maschine zugrunde gelegt ist, bei der die Gleitpaarungen für mit hohem Druck- und Temperaturniveau beaufschlagte Dicht- und Führungselemente in einer durch die Abwesenheit von Schmieröl gekennzeichneten, an sich bekannten Trockenlauftechnik ausgelegt sind (s. hierzu EP 1 045 128 B1 ; DE 101 28 055 C2 ).

Eine erste Ausgestaltung sieht vor, dass wenigstens eine Einspritzdüse im Einlassbereich des Zylinders der Hubkolben-Maschine angeordnet ist. Es ist in die sem Falle weiterhin von Vorteil, wenn die wenigstens eine Einspritzdüse im Zentrum des Durchtrittsquerschnitts des Einlassbereich positioniert ist. Bei dieser Ausführungsform passieren beispielsweise bei einer schiebergesteuerten Hubkolben-Maschine die dispersen Beimengungen, beispielsweise die Wassertropfen, zunächst den Schieber in der zugeordneten Schieberlaufbuchse, um dann in den Kolbenraum zu gelangen. Diese Lösung ist die kostengünstigste von allen; sie ist vor allem an bereits im Einsatz befindlichen Hubkolben-Maschinen leicht nachrüstbar.

Eine zweite Ausgestaltung sieht vor, die disperse Phase, beispielsweise das Wasser, durch erste bzw. zweite Einspritzbohrungen innerhalb der Kolben- bzw. Schieberlaufbuchse an die Gleitflächen zu verbringen. Dabei sind diese Einspritzbohrungen bevorzugt über den Umfang der Kolben- bzw. Schieberlaufbuchse verteilt angeordnet und münden aus einem ersten bzw. zweiten Ringraum, im Wesentlichen radial orientiert, aus, wobei letzterer an eine erste bzw. eine zweite Zulaufbohrung angeschlossen ist. Diese Lösung ist physikalisch und thermodynamisch besser als die vorstehend dargestellte erste und sie ist geeignet, die an den Gleitflächen mit den Kolben- und Schieberringen sowie den Kolben- und Schieberführungsringen bereit zu stellende Menge an disperser Phase (Wassermenge) zu minimieren, da sich bei der ersten Ausgestaltung ein Teil der eingespritzten dispersen Phase (Wassermenge) nicht zwangsläufig an den Gleitpaarungen niederschlägt, sondern zum einen auch an tribologisch nicht relevanten Oberflächen niedergeschlagen und zum anderen mit dem Arbeitsmittel durch die Maschine hindurch in den Dampf- bzw. Gasauslass getragen wird. Die zweite Ausgestaltung ist allerdings konstruktiv aufwendiger als die erste.

Eine dritte Ausgestaltung sieht vor, die disperse Phase, beispielsweise das Wasser, durch den Kolben bzw. den Schieber hindurch zu führen und über dessen jeweilige Mantelfläche aus dritten Einspritzbohrungen zwischen den Ringen austreten zu lassen. Dabei werden die dritten Einspritzbohrungen bevorzugt über den Umfang des Kolbens bzw. Schiebers verteilt angeordnet und sie zweigen dabei aus einer dritten Zulaufbohrung im Kolben bzw. Schieber ab. Auch diese Lösung ist physikalisch besser als die erste und sie löst die gestellte Aufgabe mit einer minimierten Menge an disperser Phase (beispielsweise Wassermenge). Der konstruktive Aufwand dürfte größer als bei der zweiten Ausgestaltung sein, da die einzuspritzende disperse Phase, beispielsweise das Wasser, auf bewegte Maschinenteile übertragen werden muss.

Bei den beiden letztgenannten Ausgestaltungen ist auf kurze Zufuhrwege zu achten, damit keine vorzeitige Verdampfung der dispersen Phase erfolgt, die eine an sich unerwünschte Kühlung der Kolben, der Schieber und der jeweils zugeordneten Laufbuchsen bewirken würde.

Ein vereinfachtes mathematisches, strömungsphysikalisches und thermodynamisches Modell der Tropfenverdampfung ist in den 1 und 2 dargestellt. Es zeigen
1 eine Skizze des physikalischen Modells der Tröpfchenverdampfung und
2 in grafischer Darstellung das näherungsweise Ergebnis des zeitlichen Verlaufs der Durchmesserabnahme eines verdampfenden Wassertropfens.
Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den weiteren Figuren der Zeichnung dargestellt und nachfolgend kurz beschrieben. Es zeigen
3 einen Schnitt durch eine als Dampf- bzw. Gasmotor ausgebildete Hubkolben-Maschine im Bereich ihres Dampf- bzw. Gaseinlasses, ihrer Schiebersteuerung und ihres Zylinders, wobei gemäß einer ersten Ausgestaltung eine Wassereinspritzung im Dampf- bzw. Gaseinlass vor der Schiebersteuerung vorgesehen ist;
4 in schematischer Darstellung eine zweite Ausgestaltung der Wasserzufuhr bei einer Hubkolben-Maschine gemäß 3, wobei diese über vorzugsweise radial orientierte erste bzw. zweite Einspritzbohrungen innerhalb der jeweiligen Laufbuchse vorgesehen ist und
5 eine dritte Ausgestaltung der Wasserzufuhr bei einer Hubkolben-Maschine gemäß 3, wobei diese über den Kolben bzw. Schieber auf dem Weg über zwischen den Ringen austretende dritte Einspritzbohrungen erfolgt.

1: Tropfen der dispersen Phase; Flüssigkeitstropfen; z.B. Wassertropfen
1*: durch die disperse Phase (z.B. Wasser) benetzte Bereiche
1**: Flüssigkeitsfilm aus disperser Phase; z.B. Wasserfilm
2: Kolben
3: Kolbenlaufbuchse
4: Schieber
5: Schieberlaufbuchse
6: Kolbenring
7: Kolbenführungsring
8: Schieberring
9: Schieberführungsring
10: Einspritzdüse
11: erste Zulaufbohrung im Bereich der Kolbenlaufbuchse
11a: erster Ringraum
11b: erste Einspritzbohrungen
11': zweite Zulaufbohrung im Bereich der Schieberlaufbuchse
11a': zweiter Ringraum
11b': zweite Einspritzbohrungen
12: dritte Zulaufbohrung im Kolben und/oder im Schieber
12a: dritte Einspritzbohrungen
A: Auslassbereich; Dampf- bzw. Gasauslass
D: kontinuierliche Phase; Arbeitsmittel; z.B. Heißdampf bzw. heißes Gas
E: Einlassbereich; z.B. Dampf- bzw. Gaseinlass
H: Kolbenhub
Qt: Wärmestrom
W: disperse Phase; Flüssigkeit; z. B. Wasser
W_z: Zufuhr der dispersen Phase; z.B. Wasserzufuhr
d: Tropfendurchmesser der dispersen Phase
d(t): zeitveränderlicher Tropfendurchmesser der dispersen Phase
d₀: Anfangsdurchmesser der Tropfen der dispersen Phase/der Flüssig
: keitstropfen/z.B. des Wassertropfens
h: Schieberhub
m_t: Massenstrom durch Verdampfung (m_t = dm/dt)
p: Druck der kontinuierlichen Phase (Arbeitsmittel)
r: Verdampfungswärme
t: Zeit
dt: Zeitintervall
t*: notwendige Verdampfungszeit bis zur vollständigen Verdampfung
t*_min: minimal notwendige Verdampfungszeit bis zur vollst. Verdampfung
T*_max: maximal notwendige Verdampfungszeit bis zur vollst. Verdampfung
v: Strömungsgeschwindigkeit der kontinuierlichen Phase
: (z.B. Heißdampf bzw. heißes Gas
τ: mittlere Verweilzeit der Tropfen in der Hubkolben-Maschine
α: Wärmeübergangszahl bei Verdampfung
α_min: minimale Wärmeübergangszahl
α_max: maximale Wärmeübergangszahl
ϑ_D: Temperatur der kontinuierlichen Phase
: (z. B. Dampf- bzw. Gastemperatur)
ϑ_T: Tropfentemperatur (= Siedetemperatur ϑ_S)
Δϑ: Temperaturdifferenz ϑ_D – ϑ_T = ϑ_D – ϑ_S
ρ: Dichte der dispersen Phase (z.B. Wasser)
ρ': Dichte der siedenden dispersen Phase (z.B. Wasser)

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Größe eines Tropfens 1 einer dispersen Phase W (1), nachfolgend am Beispiel eines Wassertropfens dargestellt, der in einer kontinuierlichen Phase D (Arbeitsmittel: Heißdampf bzw. heißes Gas) eingespritzt wird, verändert sich durch zunehmende Verdampfung, so dass sein Durchmesser d zeitveränderlich ist (d = f(t) = d(t)). Der Wassertropfen 1 besitzt die Tropfentemperatur ϑ_T, die in guter Näherung der vom Druck p der kontinuierlichen Phase D (Heißdampf) abhängigen Siedetemperatur des Wassers ϑ_S entspricht. Der Wassertropfen 1 ist von dem Heißdampf bzw. dem heißen Gas D mit der Dampf- bzw. Gastemperatur ϑ_D umgeben und er wird vom Dampf- bzw. Gasstrom mit der Strömungsgeschwindigkeit v durch die Hubkolben-Maschine transportiert, bis ggf. ein Niederschlag auf einer Oberfläche erfolgt. Die Temperaturdifferenz Δϑ = ϑ_D – ϑ_T = ϑ_D – ϑ_S bewirkt einen Wärmestrom Q_t aus dem Heißdampf bzw. heißen Gas D in den Wassertropfen 1, wodurch die Verdampfungswärme r bereitgestellt wird. Im Zeitintervall dt erfährt der Wassertropfen 1 mit seiner Dichte ρ (ggf. Dichte ρ' des siedenden Wassers) eine Massenabnahme dm durch Verdampfung. Der Massengradient dm/dt bzw. der Massenstrom m_t durch Verdampfung bewirkt eine fortlaufende Durchmesserreduzierung des Wassertropfens 1, beginnend von einem Anfangsdurchmesser d₀. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei der Tropfenverdampfung ist die Wärmeübergangszahl α, wobei im vorliegenden Falle die Berechnung mit einer maximalen und mit einer minimalen Wärmeübergangszahl α_max bzw. α_min durchgeführt wurde.
Das Ergebnis des vereinfachten mathematischen, thermodynamischen und strömungsphysikalischen Modells zeigt 2. Ausgehend von dem Anfangsdurchmesser d₀ des Wassertropfens 1 reduziert sich dessen Durchmesser d linear proportional zur Zeit. Eine vollständige Verdampfung (d = 0) ist für eine notwendige Verdampfungszeit t* erreicht (minimal notwendige Verdampfungszeit t_min für ma ximale Wärmeübergangszahl α_max; maximal notwendige Verdampfungszeit t_max für minimale Wärmeübergangszahl α_min). Diese notwendige Verdampfungszeit t* muss, damit die erfindungsgemäße Aufgabe befriedigend gelöst ist, eine mittlere Verweilzeit Z eines Wassertropfens 1 in der Maschine zwischen dessen Eintritts- und Austrittsort deutlich übersteigen. Da die Drehzahlen der in Rede stehenden Hubkolben-Maschinen (z. B. Dampf- bzw. Gasmotor) in der Regel in einem Bereich zwischen n = 750 und 1500 min^–1 liegen, beträgt die entsprechende mittlere Verweilzeit etwa τ = 0,08 bis 0,04 s.
Ein beispielhaft ausgewählter Dampf- bzw. Gasmotor als typischer Vertreter einer Hubkolben-Maschine, auf die das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung finden soll, besteht in dem dargestellten Bereich (3) aus einem Kolben 2, Kolbenringen 6, wenigstens einem Kolbenführungsring 7 und einer Kolbenlaufbuchse 3. Die beiderseits des Kolbens 2 innerhalb der Kolbenlaufbuchse 3 gebildeten Zylinderräume werden über eine Schiebersteuerung, bestehend aus einem Schieber 4 mit Schieberringen 8 und wenigstens einem Schieberführungsring 9 einerseits im Zusammenwirken mit einer Schieberlaufbuchse 5 andererseits, mit einem Einlassbereich E (Dampf- bzw. Gaseinlass) verbunden. Über letzteren wird die kontinuierliche Phase D, das Arbeitsmittel, z.B. Heißdampf bzw. heißes Gas, herangeführt. Der entspannte Heißdampf bzw. das entspannte heiße Gas D verlässt den Motor über einen Auslassbereich A (Dampf- bzw. Gasauslass).
Eine Einspritzung einer dispersen Phase W (Flüssigkeit, z.B. Wasser) erfolgt gemäß einer ersten Ausführungsform über eine Einspritzdüse 10, die im Dampf- bzw. Gaseinlass E angeordnet und mit einer Zufuhr der dispersen Phase W_z (Wasserzufuhr) verbunden ist. Die von der Strömung des Heißdampfes bzw. heißen Gases D mit der Strömungsgeschwindigkeit v der kontinuierlichen Phase D mitgeführten Wassertropfen 1* gelangen zunächst in die Schiebersteuerung 4, 5, wo sich ein Teil der Wassertropfen 1 im Bereich der Gleitpaarung zwischen Schieberringen 8 und Schieberführungsring 9 einerseits und Schieberlaufbuchse 5 andererseits niederschlägt. Ein Teil der mit der Strömung des Heißdampfes bzw. heißen Gases D in den Innenraum der Kolbenlaufbuchse 3 mitgeführten Wassertropfen 1* wird sich an der Gleitpaarung zwischen den Kolbenringen 6 und den Kolbenführungsringen 7 einerseits und der Kolbenlaufbuchse 3 andererseits niederschlagen. Durch die Relativbewegung zwischen den Gleitpaarungsteilen (Kolbenhub H; Schieberhub h) bildet sich ein mehr oder weniger geschlossener Flüssigkeitsfilm aus der dispersen Phase 1** (Wasserfilm), der die Kolbenringe 6, Schieberringe 8 und Führungsringe 7, 8 kühlt und somit nachweislich deren Verschleiß vermindert. Im Regelfalle wird der den Auslassbereich A verlassende Strom der kontinuierlichen Phase D (Wasserdampf bzw. Gas) noch Restmengen von dispenser Phase W (Wasser in Form von nicht verdampften Tropfen) mitführen.
4 zeigt die zweite vorgeschlagene Ausführungsform der Zufuhr der dispersen Phase W_z (Wasserzufuhr) an die relevanten Stellen der Gleitpaarungen. Die disperse Phase W, das Wasser, wird der Innenseite der Kolbenlaufbuchse 3 bzw. Schieberlaufbuchse 5 über vorzugsweise radial orientierte erste Einspritzbohrungen 11b bzw. zweite Einspritzbohrungen 11b' zugeführt, tritt an der inneren Oberfläche der Laufbuchse 3 bzw. 5 aus und bildet dort durch die disperse Phase benetzte (wasserbenetzte) Bereiche 1*, die durch die Gleitbewegung (H, h) der Kolben- bzw. Schieberringe 6, 8 und Kolben- bzw. Schieberführungsringe 7, 9 zu einem Flüssigkeitsfilm aus disperser Phase (Wasserfilm) 1** verteilt werden. Die Zufuhr der dispersen Phase W_z (Wasserzufuhr) zur Kolbenlaufbuchse 3 erfolgt über eine erste Zulaufbohrung 11, die in einem ersten Ringraum 11a ausmündet. Der erste Ringraum 11a versorgt mehrere, über den Umfang der Kolbenlaufbuchse 3 verteilt angeordnete erste Einspritzbohrungen 11b. In gleicher Weise erfolgt die Zufuhr der dispersen Phase W_z (Wasserzufuhr) zur Schieberlaufbuchse 5. Eine nicht dargestellte zweite Zulaufbohrung 11' endet in einem zweiten Ringraum 11a'; letzterer versorgt mehrere, über den Umfang der Schieberlaufbuchse 5 verteilt angeordnete zweite Einspritzbohrungen 11b'. Die Zufuhr der dispersen Phase W_z (Wasserzufuhr) über die Laufbuchse 3, 5 muss derart ausgestaltet sein, dass letztere nicht insgesamt in unzulässiger Weise gekühlt wird.
Eine dritte Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt 5. Hier erfolgt die Zufuhr der dispersen Phase W_z (Wasserzufuhr) über eine im Kolben 2 bzw. Schieber 4 ausgebildete dritte Zulaufbohrung 12. Letztere verzweigt sich in mehrere, über den Umfang des Kolbens 2 bzw. Schiebers 4 verteilt angeordnete dritte Einspritzbohrungen 12a, die vorzugsweise radial orientiert sind. Die disperse Phase W, das Wasser, tritt dabei im Mantelbereich des Kolbens 2 bzw. Schiebers 4 aus und schlägt sich an der Kolbenlaufbuchse 3 bzw. Schieberlaufbuchse 5 nieder. Die durch die disperse Phase (Wasser) W benetzten Bereiche 1* werden durch die Hubewegung H, h der Kolben- bzw. Schieberringe 6, 8 und Kolben- bzw. Schieberführungsringe 7, 9 zu einem mehr oder weniger geschlossenen Flüssigkeitsfilm aus der dispersen Phase (Wasserfilm) 1** verteilt, der die Ringe kühlt und damit deren Verschleiß signifikant mindert.
Der Vorteil der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen besteht gegenüber der Ausführungsform gemäß 3 darin, dass die zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe notwendige Menge an disperser Phase (Wassermenge) W jeweils geringer ist, da die Ausbringung der Wassermenge W ausschließlich in den tribologisch relevanten Bereichen an die in Frage kommenden Oberflächen erfolgt. Auch bei der Zufuhr der dispersen Phase (Wasserzufuhr) W_z über Kolben 2 bzw. Schieber 4 muss dafür Sorge getragen werden, dass diese Bauteile nicht unzulässig gekühlt werden. Des weiteren ist sicherzustellen, dass die Verweilzeit der dispersen Phase W, des Wassers, im Kolben 2 bzw. Schieber 4 so kurz wie möglich bemessen wird, damit nicht eine vorzeitige Verdampfung erfolgt, die ggf. eine Blockierung der Zufuhr der dispersen Phase (Wasserzufuhr) W_z bewirken würde.

Claims

Verfahren zur Verminderung des Verschleißes an Dicht- und Führungselementen für einen Kolben oder Schieber in einer nicht mit Öl geschmierten und mit einem gasförmigen Arbeitsmittel betriebenen Hubkolben-Maschine, dadurch gekennzeichnet, – dass dem Arbeitsmittel als kontinuierlicher Phase (D), zeitlich gesehen, vor der an ihr durchzuführenden ersten Zustandsänderung im Rahmen eines zugeordneten thermodynamischen Prozesses eine disperse Phase (W) zugeführt wird, – wobei die disperse Phase (D) eine Flüssigkeit ist, – die den thermodynamischen Prozess in der Hubkolben-Maschine nicht nennenswert nachteilig beeinflusst und die in der die Hubkolben-Maschine verlassenden kontinuierlichen Phase (D) verbleiben kann und – deren Menge und Dispergierungsgrad so gewählt werden, – dass die notwendige Zeit zu ihrer vollständigen Verdampfung ihre gegebene mittlere Verweilzeit in der Hubkolben-Maschine deutlich übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der kontinuierlichen Phase (D) um Gas, insbesondere Erdgas, oder Wasserdampf (Heißdampf) jeweils auf hohem Druck- und Temperaturniveau handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitpaarung der von der kontinuierlichen Phase (D) beaufschlagten Dicht- und Führungselemente aus einem ersten Gleitelement (Kolben/Schieberring; Kolben-/Schieberführungsring) gebildet wird, das aus einem im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Werkstoff besteht, dessen Poren mit Metall, einer Metalllegierung, einer Keramik, einem Kunstharz und/oder Pech, das karbonisiert wurde, gefüllt sind, und dass der Werkstoff des zweiten Gleitelementes der Gleitpaarung (Laufbuchse) ein eisenhaltiger, vorzugsweise mit Chrom und/oder Nickel legierter hochwarmfester Werkstoff ist, der mindestens an der Gleitfläche mit einer Nitrierschicht versehen ist
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Wasserdampf als kontinuierlicher Phase (D) Wasser (W) als disperse Phase vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Gas (z.B. Ergas, Sauerstoff (O₂), Stickstoff (N₂)) als kontinuierlicher Phase (D) als disperse Phase (W) das gleiche Gas in tiefkaltem verflüssigtem Zustand vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Menge und/oder Dispergierungsgrad (z.B. Tropfengröße) der dispersen Phase (W) definiert veränderbar sind/ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die disperse Phase (W) kontinuierlich zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die disperse Phase (W) intermittierend zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die intermittierende Zufuhr abhängig von der Drehfrequenz der Hubkolben-Maschine ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die intermittierende Zufuhr unabhängig von der Drehfrequenz der Hubkolben-Maschine ist.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer schieber- oder ventilgesteuerten und mit einem gasförmigen, auf hohem Druck- und Temperaturniveau befindlichen Arbeitsmittel betriebenen Hubkolben-Maschine, bei der die Gleitpaarungen für mit hohem Druck- und Temperaturniveau beaufschlagte Dicht- und Führungselemente in einer durch die Abwesenheit von Schmieröl gekennzeichneten, an sich bekannten Trockenlauftechnik ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einspritzdüse (10) zur Zufuhr der dispersen Phase (W) im Einlassbereich (E) der Hubkolben-Maschine angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einspritzdüse (10) im Zentrum des Durchtrittsquerschnitts des Einlassbereichs (E) angeordnet ist.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer schieber- oder ventilgesteuerten und mit einem gasförmigen, auf hohem Druck- und Temperaturniveau befindlichen Arbeitsmittel betriebenen Hubkolben-Maschine, bei der die Gleitpaarungen für mit hohem Druck- und Temperaturniveau beaufschlagte Dicht- und Führungselemente in einer durch die Abwesenheit von Schmieröl gekennzeichneten, an sich bekannten Trockenlauftechnik ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kolbenlaufbuchse (3) und/oder Schieberlaufbuchse (5) im Bereich der relevanten Gleitpaarungen mit den zugeordneten Kolbenringen (6) und Kolbenführungsringen (7) bzw. den Schieberringen (8) und Schieberführungsringen (9) erste bzw. zweite Einspritzbohrungen (11b; 11b') vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten bzw. zweiten Einspritzbohrungen (11b; 11b') über den Umfang der Kolben- bzw. Schieberlaufbuchse (3; 5) verteilt angeordnet sind und aus einem ersten bzw. zweiten Ringraum (11a; 11a'), im Wesentlichen radial orientiert, ausmünden, wobei letzterer an eine erste Zulaufbohrung (11) bzw. eine zweite Zulaufbohrung (11') angeschlossen ist.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer schieber- oder ventilgesteuerten und mit einem gasförmigen, auf hohem Druck- und Temperaturniveau befindlichen Arbeitsmittel betriebenen Hubkolben-Maschine, bei der die Gleitpaarungen für mit hohem Druck- und Temperaturniveau beaufschlagte Dicht- und Führungselemente in einer durch die Abwesenheit von Schmieröl gekennzeichneten, an sich bekannten Trockenlauftechnik ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolben (2) und/oder Schieber (4) dritte Einspritzbohrungen (12a) vorgesehen sind, die über dessen jeweiliger Mantelfläche zwischen den Kolbenringen und Kolbenführungsringen (6, 7) bzw. den Schieberringen und Schieberführungsringen (8, 9) austreten.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Einspritzbohrungen (12a) über den Umfang des Kolbens (2) bzw. Schiebers (4) verteilt angeordnet sind und aus einer dritten Zulaufbohrung (12) im Kolben (2) bzw. Schieber (4) abzweigen.