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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftmaschine und eine KWK-Vorrichtung.
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Im
stationären Bereich (Wohnen und Arbeiten) wird die Energie
fast ausschließlich zur Strom- und Wärmeerzeugung
aufgewendet. Die Stromerzeugung erfolgt heute fast ausschließlich
in dezentralen Großkraftwerken, welche z. B. in Deutschland einen
durchschnittlichen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 30% haben.
Dabei fallen 70% der eingesetzten Energie als Abwärme an,
die kaum genutzt werden kann weil sie nicht zum Verbraucher transportiert werden
kann. Gleichzeitig wird zum Beheizen von Wohn- und Arbeitsräumen
zusätzliche Energie verbraucht um ausschließlich
Wärme zu erzeugen.
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Erzeugt
man den Strom am Ort des Wärmebedarfs mit einer dezentralen
Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage (Anlage) ist es möglich,
die dabei anfallende Abwärme zu nutzen. Dies erfordert
aber kleine dem jeweiligen Wärmebedarf angepasste KWK-Anlagen.
Ein Ziel des zukünftigen Energieeinsatzes sollte sein,
jeglichen Wärmebedarf aus der Abwärme der Stromerzeugung
zu decken.
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In
Großkraftwerken wird der Strom überwiegend durch
Verbrennung fossiler Energieträger unter Einsatz von Gas-
und Dampfturbinen erzeugt. Diese Großkraftwerke erreichen
zwar wegen ihrer Größe die besten elektrischen
Wirkungsgrade und Abgaswerte, ermöglichen aber kaum eine
Nutzung der Abwärme. Eine Verkleinerung dieser Großkraftwerks-Technologien
ist bisher nur bei erheblichen Wirkungsgradeinbußen gelungen.
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Im
Bereich der dezentralen KWK-Anlagen sind aufgrund des erheblichen
Bedarfs bereits verschiedene Systemen bekannt oder in der Entwicklung.
Eine Möglichkeit sind mit flüssigen und gasförmigen
Brennstoffen (z. B. Diesel, Benzin, Pflanzenöle, Erdgas,
Biogas) betriebene Verbrennungsmotoren mit geschlossener Verbrennung
und angekoppeltem Generator. Verbrennungsmotoren stellen zur Zeit
die einzigen brauchbaren und serienmäßig verfügbaren
Antriebsquellen für KWK-Anlagen dar. Ihr einziger wirklicher
Vorteil liegt im relativ hohen elektrischen Wirkungsgrad. Ansonsten
sind diese Aggregate für KWK-Anlagen praktisch ungeeignet.
Gravierende Nachteile der Verbrennungsmotoren sind schädliche
Abgase, schwer beherrschbare Lärmentwicklung, hoher Verschleiß,
hoher Wartungsaufwand, kurze Lebensdauer, hohe Kosten und niedrige Wirtschaftlichkeit.
Diese Nachteile sind hauptsächlich auf den geschlossenen
explosionsartigen Verbrennungsvorgang zurückzuführen.
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Es
gibt auch diverse Systeme die mit offener Verbrennung arbeiten.
Diese haben die meisten der oben aufgeführten Nachteile
nicht. Kleine Gasturbinen beispielsweise sind inzwischen ab 30 kW
elektrischer Leistung verfügbar. Sie besitzen einen mittleren
Wirkungsgrad, sind teuer, haben eine brauchbare Lebensdauer, erfordern
wenig Wartung und produzieren relativ wenig Abgase.
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Stirlingmotoren
wären sehr gut geeignet für KWK-Anlagen. Sie sind
aber für eine breite Markteinführung in absehbarer
Zeit noch nicht reif. Sie besitzen einen mittleren Wirkungsgrad,
kosten jedoch sehr viel, haben eine hohe Lebensdauer und arbeiten relativ
leise.
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ORC-Anlagen
sind Dampfanlagen die anstelle mit Wasser mit organischen Flüssigkeiten
betrieben werden. Sie sind in kleiner Anzahl bereits im Einsatz,
allerdings nur mit Leistungen von über 500 kW. Sie sind
für alle brennbaren Energieformen geeignet. Diese Anlagen
sind sehr komplex und teuer. Der Wirkungsgrad ist bisher sehr niedrig.
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Die
Marktreife von Brennstoffzellen ist für die nahe Zukunft
noch nicht absehbar.
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Der
Wirkungsgrad einer Dampfkraftanlage wird im wesentlichen durch die
Expansionsmaschine zur Umwandlung der Dampfenergie in mechanische Energie
bestimmt.
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Dampf-
und Gasturbinen sind Strömungsmaschinen, welche ausschließlich
die Strömungsenergie des Mediums nutzen. Da eine Strömungsmaschine
keine dichten Arbeitsräume oder Kammern aufweist, kann
bei Stillstand ein Teil des Mediums die Maschine durchströmen,
ohne dass eine Bewegung ausgelöst wird. Eine Turbine liefert
daher erst bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit eine
Leistung. Ein guter Wirkungsgrad erfordert mehrere Turbinenstufen
hintereinander, einen großen Volumenstrom, hohe Drehzahlen,
hohe Temperaturen und deshalb die besten verfügbaren Werkstoffe.
Der wesentliche Vorteil von Strömungsmaschinen liegt darin,
dass sie keine Dichtung zwischen Gehäuse und Läufer
haben, wodurch kaum Reibungsverluste auftreten und sich dadurch
eine hohe Lebensdauer ergibt. Die kontinuierliche Arbeitsweise ist
ein weiterer Vorteil. Turbinen arbeiten jedoch bei geringerer Leistung
nicht wirtschaftlich.
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Alternativen
zu Strömungsmaschinen sind druckbasierte Verdrängungsmaschinen,
wie z. B. Kolbenmaschinen (Rotations-, Dreh-, Kreis- und Hubkolbenmaschinen;
sie he Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau,
21. Auflage, K. -H. Grote et al., Springer Verlag, ISBN 3-540-22142-5,
Kapitel P, insbesondere Seite P2). Sie arbeiten kontinuierlich oder
zyklisch mittels druckdichten Arbeitsräumen. Jedoch vernichten
hier die Reibungsverluste an den Dichtungen die Vorteile des ansonsten
effizienteren Verdrängungsprinzips und verkürzen
die Lebensdauer der Maschine. Zudem sind die meisten dieser Verdrängungsmaschinen
aufgrund ihrer Verdränger- und Arbeitsgeometrie besser
als Pumpen denn als Motoren geeignet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine langlebige und effiziente Kraftmaschine
bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon
abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer KWK-Vorrichtung,
die einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist und eine hohe Lebensdauer
besitzt.
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Die
Aufgabe wird durch ein KWK-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
24 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon
abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Kraftmaschine
mit einem ortsfesten Stator und einem drehbar gelagerten Rotor,
mit wenigstens einem Arbeitsraum, der zwischen dem Stator und dem
Rotor mit in Drehrichtung einer inneren und äußeren
Begrenzungsfläche ausgebildet ist. Der Arbeitsraum weist
einen eingangsseitigen Einlass zum Zuführen von Strömungsmittel
auf. An einer der Begrenzungsflächen ist zumindest ein
ausstellbar gelagerter Flügel zur Begrenzung des Arbeitsraumes
an dem dem Einlass gegenüberliegenden Ende des Arbeitsraumes
angeordnet. Der Flügel ist mit einer freien Endkante in
Richtung zur gegenüberliegenden Begrenzungsfläche
ausstellbar. Ein Anschlag ist derart vorgesehen, dass der Flügel
in seiner ausgestellten Arbeitstellung mit seiner freien Endkante
exakt auf die gegenüberliegende Begrenzungsfläche
justiert ist und hierdurch parallel zur gegenüberliegenden
Begrenzungsfläche bewegt wird.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine gleichmäßige
Druckbeaufschlagung des Arbeitsraumes vorgesehen, die intermittierend
abgebaut wird. Die Maschine arbeitet nur in einer Bewegungsrichtung.
Der Flügel bewegt sich mit seiner freien Endkante parallel
zur gegenüberliegenden Begrenzungsfläche. Über
den Anschlag kann der Flügel in seiner ausgestellten Arbeitsstellung
derart eingestellt werden, dass er sich mit sehr geringem Abstand entlang
der Begrenzungsfläche bewegt und auf diese Weise nahezu
keine Reibungsverluste auftreten. Am Flügel kann auch eine
Dichtung vorgesehen werden, die den Spalt zwischen dem Flügel
und der Begrenzungsfläche abdichtet, wobei keine nennenswerten Kräfte
vom Flügel auf die Dichtung übertragen werden.
Die Größe des Arbeitsraumes ist begrenzt und durch
den am Flügel anliegenden Druck wird eine Drehkraft erzeugt.
Durch die geschlosse Expansionsentwicklung kommt es zu einer kontinuierlichen
Rotationsbewegung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist für den
Betrieb mit Wärme (Energie) aus offener Verbrennung und
mit Abwärme beliebiger Herkunft vorgesehen. Die Umsetzung
der Wärme in elektrische Energie erfolgt im wesentlichen
in bekannter Weise mit einem Dampfprozeß. Als Dampfmedium
kann neben Wasser auch jedes andere als geeignet bekannte organische
Medium eingesetzt werden. Die KWK-Anlage ist für Anlagengrößen
vorgesehen, die für den dezentralen Einsatz geeignet sind.
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Die
erfindungsgemäße KWK-Vorrichtung umfasst
eine
dampfbetriebene Kraftmaschine,
einen Wärmetauscher
zum Verdampfen eines Strömungsmittels, um die Kraftmaschine
anzutreiben, einen von der Kraftmaschine angetriebenen Generator,
und ein Gehäuse, in dem sich die Kraftmaschine, der Wärmetauscher
und der Generator befinden.
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Bei
der Erfindung sind somit die Kraftmaschine, der Wärmetauscher
und der Generator in einem gemeinsamen Gehäuse druckdicht
und thermisch gekapselt. Eine solche Kapselung erlaubt zum einen eine
effiziente Nutzung der der KWK-Vorrichtung zugeführten
Wärme, da die Wärme innerhalb des Gehäuses
bleibt und effizient in mechanische bzw. elektrische Energie gewandelt
werden kann. Weiterhin erlaubt eine solche Kapselung, die Verwendung
spezieller Strömungsmittel in einem Kreislauf zwischen dem
Wärmetauscher und der Kraftmaschine, da durch die Kapselungen
ein Austritt an die Umwelt sicher vermieden wird.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im
Gehäuse noch ein Kondensator zum Kondensieren des Strömungsmittels
vorgesehen. Der Kondensator ist an einem nach außerhalb des
Gehäuses führenden Kühlkreislauf angeschlossen,
so dass überschüssige Wärme im Gehäuse
gezielt einer Nutzung außerhalb des Gehäuses zugeführt
wird und nicht als ungenutzte Abwärme an die Umwelt abgegeben
wird.
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Vorzugsweise
ist das Gehäuse thermisch isoliert.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Diese zeigen schematisch in:
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1 eine
KWK-Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine
in einer seitlich geschnittenen Ansicht,
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2 die
Kraftmaschine aus 1 in einer Schnittdarstellung
quer zur Drehachse,
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3 die
Kraftmaschine aus 1 in einer perspektivisch ausgebrochen
Schnittdarstellung,
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4 die
Kraftmaschine aus 1 in einer Explosionsdarstellung,
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5 einen
Bereich der Kraftmaschine aus 1 in einer
weiteren perspektivisch ausgebrochen Schnittdarstellung, und
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6 die
Kraftmaschine aus 1 in einer weiteren perspektivisch
ausgebrochen Schnittdarstellung.
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1 zeigt
eine KWK-Vorrichtung 1 mit einer erfindungsgemäßen
Kraftmaschine 2. Die KWK-Vorrichtung 1 weist ein
Gehäuse 3 auf. Das Gehäuse 3 umfasst
eine kreisförmige Deckenwandung 4, eine kreisförmige
Bodenwandung 5 und eine zylindrische Seitenwandung 6.
Ein erster oberer Gehäusebereich 7 ist von einem
mittleren Gehäusebereich 8 durch eine erste obere
horizontale Zwischenwandung 9 getrennt. Der mittlere Gehäusebereich 8 ist
von einem unteren Gehäusebereich 10 durch eine
zweite untere horizontale Zwischenwandung 11 getrennt.
In dem Gehäuse 3 ist entlang einer Längsachse 12 ein
Wärmetauscher 13 zum Erzeugen von Dampf aus einem Dampfmedium 18 angeordnet.
Der Wärmetauscher 13 erstreckt sich über
den unteren und mittleren Gehäusebereich 10, 8.
Im oberen Gehäusebereich 7 ist ein Generator 14 zum
Erzeugen von Strom angeordnet. Im mittleren Gehäusebereich 8 ist
der Wärmetauscher 13 von der Kraftmaschine 2 umgeben,
die einen Stator 15 und einen Rotor 16 aufweist.
Im unteren Gehäusebereich 10 ist zusätzlich
zum Wärmetauscher 13 ein Kondensator 17 zum
Verflüssigen des Dampfmediums 18 angeordnet. Der
untere Gehäusebereich 10 bildet einen ringförmigen
Mediumspeicher 19 für das flüssige Dampfmedium 18 aus.
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Der
Wärmetauscher 13 ist entlang der Längsachse 12 der
KWK-Vorrichtung 1 zylindrisch ausgebildet und etwa konzentrisch
zur Längsachse 12 angeordnet. Am oberen Ende des
Wärmetauschers 13 ist ein mit der Längsachse 12 fluchtendes Einlassrohr 20 zum
Zuführen eines Wärmeenergie enthaltenden Wärmeträgers 15 vorgesehen.
Eine geeignete Flüssigkeit kann beispielsweise Wasser, Öl, Thermo-Öl
oder ein geeignetes Gas kann Heißluft, Abgas, Rauchgas
sein.
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Das
Einlassrohr 20 mündet mit seinem unteren Ende
in ein Erhitzerrohrregister 22 des Wärmetauschers 13.
Das Erhitzerrohregister 22 setzt sich aus einer Vielzahl
von einzelnen Erhitzerrohren 23 zusammen. Die Erhitzerrohre 23 sind
jeweils von Regeneratorrohren 24 zur Aufnahme eines Dampfmediums 18 umgeben.
Die Bereiche zwischen den Erhitzerrohren 23 und Regeneratorrohren 24 bilden
so mehrere Verdampfungskammern 25 aus. Um das Erhitzerrohrregister 22 und
die Regeneratorrohre 24 ist ein rohrförmiges Gehäuse 26 angeordnet,
wobei der Zwischenraum zwischen den Regeneratorrohren 24 und
der Innenfläche des Gehäuses 26 eine
Regeneratorkammer 27 ausbildet.
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Die
Erhitzerrohre 23 sind mit ihren Enden jeweils an Öffnungen
einer unteren und einer oberen Erhitzerlochplatte 28, 29 befestigt.
Der Außenumfang der Lochplatten schließt bündig
mit der Innenfläche des Gehäuses 26 des
Wärmetauschers 13 ab. Die Regeneratorrohre 24 sind
mit ihren Enden jeweils an Öffnungen einer unteren und
einer oberen Regeneratorlochplatte 30, 31 befestigt.
Der Außenumfang der Lochplatten schließt wiederum
bündig mit der Innenfläche des Gehäuses 20 des
Wärmetauschers 13 ab. Die Regeneratorlochplatten 30, 31 sind
innerhalb der Erhitzerlochplatten 30, 31 angeordnet.
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Die
Verdampfungskammern 25 können auch derart ausgebildet
sein, dass kurze Rohrsegmente 32 im unteren Bereich der
Verdampfungskammern konzentrisch zwischen den Erhitzerrohren 23 und den
Regeneratorrohren 24 angeordnet sind und mit ihrem unteren
Enden in den Zwischenbereich zwischen der unteren Erhitzerlochplatte 28 und
der unteren Regeneratorlochplatte 30 ragen. Die unteren Enden
dieser Rohrsegmente 32 sind jeweils an Öffnungen
einer Zwischenlochplatte 33 befestigt, die wiederum bündig
mit dem Gehäuse 20 des Wärmetauschers 13 abschließt.
Der Raum zwischen der unteren Erhitzerlochplatte 28 und
der unteren Regeneratorlochplatte 30 ist durch die Zwischenlochplatte 33 in
eine untere und eine obere Beschickungskammer 34, 35 zum
Zuführen von Dampfmedium 18 zu den Verdampfungskammern 25 unterteilt.
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Am
unteren Ende des Wärmetauschers 13 münden
die Erhitzerrohre 23 in ein gemeinsames nach unten gerichtetes
Auslassrohr 36 zum Abführen des Wärmeträgers 21.
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Im
Bereich der Beschickungskammern 34, 35 weist das
rohrförmige Gehäuse 30 des Wärmetauschers 13 zwei
Reihen übereinander umlaufend angeordneter Dampfmediumzuführöffnungen 37 auf.
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Um
die Dampfmediumzuführöffnungen 37 des
Wärmetauschers 13 ist außenseitig ein
ringförmiger Zuführkanal 38 ausgebildet.
In den Zuführkanal 38 mündet eine Zuführleitung 39,
in die über eine Pumpe 40 das Dampfmedium 18 zugeführt
wird. Die Zuführleitung 39 ist nach unten abgewinkelt
und endet offen ein Stück über der Bodenwandung 5,
so dass sie in den Mediumspeicher 19 ragt. Der ringförmige
Mediumspeicher 19 wird durch den unteren Abschnitt der
zylindrischen Seitenwandung 6 des Gehäuses 3,
die Bodenwandung 5 und durch ein zylinderförmiges
sich von der Bodenwandung 5 zum ringförmigen Zuführkanal 38 erstreckenden
Segment 41 begrenzt. Die Pumpe 40 kann auch außerhalb
des Gehäuses 3 angeordnet sein.
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Der
Bereich zwischen der oberen Erhitzerlochplatte 29 und der
oberen Regeneratorlochplatte 31 bildet eine Dampfkammer 42,
in die die Verdampfungskammern 25 münden. Im Bereich
der Dampfkammer 42 sind im Gehäuse 26 des
Wärmetauschers 13 mehrere umlaufend angeordnete
Dampfmediumauslassöffnungen 43 ausgebildet. Die Dampfmediumauslassöffnungen 43 sind
etwa rechteckig und bilden eine Reihe Öffnungen, die jeweils mit
gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.
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Im
Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 sind benachbart
und unterhalb der oberen Regeneratorlochplatte 31 mehrere
umlaufend angeordnete Dampfmediumeinlassöffnungen 44,
die in die Regeneratorkammer 27 münden und wiederum
etwa rechteckig ausgebildet sind und eine Reihe Öffnungen
bilden, die jeweils mit gleichem Abstand voneinander angeordnet
sind.
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Im
Bereich der Dampfmediumauslassöffnungen 43 und
der Dampfmediumeinlassöffnungen 44 ist der Wärmetauscher 13 von
der Kraftmaschine 2 umgeben. Der Stator 15 ist
unmittelbar auf dem Gehäuse 26 des Wärmetauschers 4 ortsfest
angeordnet und der drehbar gelagerte Rotor 16 umschließt
mit seinen wesentlichen Elementen den Stator 15. Der Rotor 16 ist
in Drehrichtung 45 drehbar ausgebildet.
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Der
Stator 15 weist eine scheibenringförmige obere
Begrenzungswandung 46, eine scheibenringförmige
untere Begrenzungswandung 47 und eine sich zwischen den
Begrenzungswandungen 46, 47 erstreckende zylinderförmige
Innenwandung 48 auf. Die Begrenzungswandungen 46, 47 stehen
senkrecht auf dem Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 und
schließen mit ihrem inneren Rand bündig mit dem
Gehäuse 26 ab. Die Innenwandung 48 ist
mit einem Abstand konzentrisch zum Gehäuse 26 angeordnet.
Ein Ringsteg 49 ist mittig zwischen den beiden Begrenzungswandungen 46, 47 auf
der Innenfläche der Innenwandung 48 angeordnet.
Der Ringsteg 49 erstreckt sich von der Innenwandung 48 bis
zum Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13.
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Der
Ringsteg 49 unterteilt den Bereich zwischen der oberen
und unteren Begrenzungswandung 46, 47, der Innenwandung 48 und
dem Gehäuse 26 des Wärmetau schers 13 in
einen oberen umlaufenden Einlasskanal 50 und einen unteren
umlaufenden Auslasskanal 51.
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In
der Innenwandung 48 sind im Einlasskanal 50 Einlassöffnungen 52 ausgebildet.
Die Einlassöffnungen 52 weisen den gleichen Winkelabstand
zueinander auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind
lediglich zwei Einlassöffnungen 52 vorgesehen, die
180° zueinender versetzt sind.
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Die
Einlassöffnungen 52 münden jeweils in eine
Düsenkammer 53. Bogenförmige Leitbleche 54 erstrecken
sich jeweils von der Innenwandung 48 vom in Drehrichtung 45 rückwärtigen
Ende einer der Einlassöffnungen 52 in Drehrichtung
und radial nach außen über die jeweilige Einlassöffnung
hinweg. An ihrem radialen äußeren Endbereich erstrecken
sich die Leitbleche 54 jeweils über den äußeren
Rand der Begrenzungswandungen 46, 47 hinaus (4)
und weisen einen Düsenabschnitt 55 auf. Der Düsenabschnitt 55 besitzt
eine Düsenaußenfläche 56, die konzentrisch
zur Drehachse des Rotors 16 ist. Die Leitbleche 54 bilden
mit ihren zur Einlassöffnung 52 weisenden Flächen
rückwärtige konkave Düsenflächen 57.
Die Düsenkammer 53 ist in Drehrichtung 45 nach
vorne durch eine bogenförmige vordere konvexe Düsenfläche 58 begrenzt,
die sich vom in Drehrichtung 45 vorderen Ende der Einlassöffnung 52 radial
nach außen bis Nahe an den Düsenabschnitt 55 erstreckt.
Der Düsenabschnitt 55 ist seitlich jeweils mit
einer Seitenwandung 59 begrenzt, die bündig zur Innenfläche
der Begrenzungswandungen 46, 47 ist und sich ein
Stück nach vorne in Drehrichtung 45 erstreckt.
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Durch
die Ausbildung der rückwärtigen konkaven Düsenfläche 47 und
der vorderen konvexen Düsenfläche 58 wird
ein Strömungskanal ausgebildet, der sich nach radial außen
verjüngt und an seinem Ende eine Düse 60 bildet.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die vordere konvexe
Düsenfläche 58 an einem massiven Formkörper 61 ausgebildet.
Dieser Formkörper 61 ist an der Innenwandung 48 angeformt
und wird radial nach innen durch die Innenwandung begrenzt. Der Formkörper 61 erstreckt
sich von der konvexen Düsenfläche 58 in
Drehrichtung 45 konzentrisch zur Längsachse 12 der
KWK-Vorrichtung 1, die gleichzeitig die Drehachse 12 des
Rotors bildet. Die vordere konvexe Düsenfläche 58 erstreckt
sich ab der Düse 60 unter stetiger Fortsetzung
der konvexen Bogenform ein kleines Stück radial nach innen.
Dort trifft die Bogenform auf eine zur Drehachse 12 konzentrische
Oberfäche, die im folgenden als innere Begrenzungsfläche 62 eines
Arbeitsraumes bezeichnet wird. Am in Drehrichtung 45 vordere
Ende der inneren Begrenzungsfläche 62 weist der
Formkörper 61 eine radial verlaufende Stirnfläche 63 auf.
Diese Stirnfläche 63 steht senkrecht auf der Innenwandung 48.
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Der
Formkörper 61 kann auch hohl ausgebildet sein.
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Benachbart
zur Stirnfläche 63 des Formkörpers 61 ist
in der Innenwandung 48 im Bereich des Auslasskanals 51 jeweils
eine Auslaßöffnung 64 ausgebildet. Diese
Auslaßöffnung 64 erstreckt sich in vertikaler
Richtung zwischen der unteren Begrenzungswandung 47 des
Stators 15 und dem Ringsteg 49 und in Drehrichtung 45 von
der Stirnfläche 63 bis zum Beginn des bogenförmigen
Leitbleches 54.
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Zwischen
den Stirnflächen 63 und den in Drehrichtung 45 vorne
angeordneten bogenförmigen Leitblechen 54 sind
vertikal ausgerichtete Führungsbleche 65 (2, 4)
angeordnet. Diese Führungsbleche 65 weisen radial
außen eine Führungskante 66 auf, die
sich von der inneren Begrenzungsfläche 62 allmählich
radial nach außen bis zum Düsenabschnitt 55 des
bogenförmigen Leitbleches 54 erstreckt. Radial
innen weisen die Führungsbleche 65 eine freie
Kante 67 auf, die mit Abstand zur Innenwandung 48 ausgebildet
ist (2).
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Der
Rotor 16 weist einen zylinderförmigen Rotorkörper 68 auf,
der den Stator 15 konzentrisch umschließt. Am
unteren Ende des zylinderförmigen Rotorkörpers 68 ist
ein unterer Ringvorsatz 69 radial nach innen weisend angeformt.
Im obereren Bereich ist ein oberer Ringvorsatz 70 vorgesehen,
der ebenfalls radial nach innen weisend ausgebildet ist. Die Stirnflächen
des oberen und des unteren Ringvorsatzes 69, 70 ragen
derart nach innen, dass sie die Stirnseiten der oberen bzw. der
unteren Begrenzungswandung 46, 47 des Stators 15 nahezu
spielfrei aufnehmen bzw. bündig mit ihnen abschließen.
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Im
Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Ringvorsatz 69 ist
innen anliegend am zylinderförmigen Rotorkörper 68 eine
etwa zylinderförmige Isolierung 71 vorgesehen.
Die Isolierung 71 kann z. B. aus Kunststoff, Keramik oder
einem anderen geeigneten Werkstoff ausgebildet sein.
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Die
zylinderförmige Isolierung 71 und die innenliegenden
Flächen des oberen und des unteren Ringvorsatzes 69, 70 umfassen
den Düsenabschnitt 55, wobei die Ringvorsätze 69, 70,
die Seitenwandungen 59 der Düse 60 nahezu
spielfrei aufnehmen. Die Düsenaussenfläche 56 des
Düsenabschnittes 55 ist zur Innenfläche
des Rotors 16 bzw. dessen Isolierung 71 nahezu
spielfrei angeordnet, wobei beide Flächen zueinander konzentrisch
sind.
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In
der Isolierung 71 sind radial umlaufend, äquidistant
angeordnete Aussparungen 72 zur Aufnahme jeweils eines
Flügels 73 vorgesehen. Die Aussparungen 72 erstrecken
sich jeweils entgegen der Drehrichtung 45 etwas über
den sich in seiner Ruhestellung befindlichen und in der Aussparung
angeordneten Flügels 73 hinaus, so dass sich jeweils eine
Tasche 89 bildet.
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Die
Zahl der Aussparungen 72 und der Flügel 73 kann
an sich beliebig sein. Grundsätzlich würde die
erfindungsgemäße Kraftmaschine mit einem einzige
Flügel 73 funktionieren. Mehrere Flügel
sind bevorzugt, da es dann möglich ist, ohne Unterbrechung
Arbeitsräume auszubilden. Die Anzahl der Flügel 73 kann
daher zwei bis fünfzehn betragen und vorzugsweise fünf,
wobei die Anzahl der Flügel vorzugsweise kein ganzzahliges
Vielfaches der Anzahl der Düsen bzw. der Arbeitsräume
ist. Der Winkelabstand zweier benachbarter Flügel 73 ist
etwas kleiner als der Winkelbereich, über den sich die
innere Begrenzungsfläche 62 erstreckt, so dass
immer ein Flügel 73 gegenüber den jeweiligen
inneren Begrenzungsflächen 62 angeordnet ist und
an den inneren Begrenzungsflächen immer ein Arbeitsraum
ausgebildet ist.
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Die
Flügel 73 weisen im Längsschnitt eine dreieckige
Form auf, mit einem Basisabschnitt 74, einem kurzen Schenkelabschnitt 75 und
einem langen Schenkelabschnitt 76. Im Bereich der Spitze
zwischen den beiden Schenkelabschnitten 75, 76 ist eine
Durchgangsbohrung 77 zur Aufnahme eines Stifts 78 ausgebildet.
Der kurze Schenkelabschnitt 75 erstreckt sich in Drehrichtung 45 und
der lange Schenkelabschnitt 57 entgegen der Drehrichtung 45. Der
in der Durchgangsbohrung 77 angeordnete Stift 78 ist
mit seinen Enden in jeweils einer Sackbohrung im oberen und im unteren
Ringvorsatz 69, 70 aufgenommen. Der Flügel 73 ist
um den parallel zur Drehachse 45 ausgerichteten Stift 78 schwenkbar
gelagert.
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Im
eingeklappten Zustand bzw. in der Ruhestellung schließt
der Basisabschnitt 74 des Flügels 73 konform
mit der Isolierung 71 ab, wobei der Basisabschnitt 74 die
gleiche Krümmung wie die Innenfläche der Isolierung 71 aufweist.
In der Ruhestellung bilden die Flügel 73 somit
mit der Isolierung 71 eine gleichmäßige,
durchgehende Kontur.
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Im
ausgeschwenkten Zustand bzw. in der Arbeitsstellung liegt der kurze
Schenkelabschnitt 75 an einer in der Aussparung 72 der
Isolierung 71 im Bereich des kurzen Schenkelabschnittes 75 ausgebildeten
Anschlagsfläche 79 an, um die Arbeitsstellung des
Flügels 73 zu fixieren. Die Anschlagsfläche 79 bildet
zusammen mit dem kurzen Schenkelabschnitt 75 einen Anschlag 80 zum
präzisen Einstellen der Arbeitsstellung des Flügels 73.
In der Arbeitstellung ist der Flügel 73 mit seinem
langen Schenkelabschnitt 76 in Richtung der Inneren Begrenzungsfläche 62 des
Arbeitsraumes ausgerichtet. Er ist mit einer freien Endkante 81,
die die Kante zwischen dem Basisabschnitt 74 und der lange
Schenkelabschnitt 76 des Flügels 73 ausbilden,
zu der inneren Begrenzungsfläche 62 des Arbeitsraumes
gegenüberliegend angeordnet, so dass die freie Endkante 81 des
ausgeklappten Flügels 73 einen sehr kleinen Spalt
mit der inneren Begrenzungsfläche ausbildet. Der Anschlag 80 kann
auch derart eingestellt werden, dass die freie Endkante 81 minimal
an der Begrenzungsfläche des Arbeitsraumes 62 anliegt,
wobei hier jedoch nachteilige Reibungsverluste auftreten.
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Die
Höhe der Schwenkflügel entspricht in etwa dem
vertikalen Abstand vom oberen Ringvorsatz 70 zum unteren
Ringvorsatz 69.
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Es
kann ein Federelement vorgesehen sein, das den Flügel 73 in
seine Arbeitsstellung ausklappt.
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Der
Bereich zwischen der inneren Begrenzungsfläche 62 des
Arbeitsraumes, der Düse 60, der Isolierung 71,
dem langen Schenkelabschnitt 76 des in der Arbeitsstellung
ausgestellten Flügels 73 und den oberen und den
unteren Ringvorsätzen 68, 69 bildet den
Arbeitsraum 82.
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Oberseitig
weist der Rotor 16 eine scheibenringförmige Deckenwandung 83 auf,
in deren Mitte eine rohrförmig ausgebildete Welle 84 angeordnet ist.
Die Welle 84 umgibt das Einlassrohr 20 im oberen Gehäusebereich 7 und
wird in der ersten horizontalen Zwischenwandung 9 des Gehäuses 3 und
in der Deckenwandung 4 des Gehäuses 3 von
jeweils einem Lager 85 aufgenommen. Im oberen Gehäusebereich 7 ist
ein Generator 14 um den Wellenabschnitt der Welle 84 angeordnet,
welcher aus der Drehbewegung der Welle Strom erzeugt, der dann einem
Verbraucher zur Verfügung steht.
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Im
unteren Gehäusebereich ist entlang der zylindrischen Seitenwandung 6 ein
ringförmiger Kondensator 17 zum Verflüssigen
des Dampfmediums 18 vorgesehen. Der Kondensator ist beabstandet von
der zylindrischen Seitenwandung 6 angeordnet und umschließt
ebenfalls beabstandet den Wärmetauscher 13 in
diesem Bereich. Der Kondensator 17 kann über eine
Zuleitung 87 und eine Ableitung 88 mit einem Kühlmedium
beschickt werden. An der Aussenseite des Kondesators 13 können
Rippen ausgebildet sein, um die Wärmeübertragungsfläche zu
vergrößern.
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Nachfolgend
wird der Betrieb der oben beschriebenen KWK-Vorrichtungen 1 erläutert:
Über
das Einlassrohr 20 wird der KWK-Vorrichtung 1 ein
heißer Wärmeträger zugeführt.
Der Wärmeträger wird beispielsweise durch die
Abwärme einer Maschine erwärmt oder wird mittels
einer speziell hierfür vorgesehenen Feuerstelle erwärmt,
die mit unterschiedlichen Brennmaterialien, wie z. B. Gas, Öl
oder Holz Pellets befeuert wird. der Wärmeträger
tritt in die Erhitzerrohre 23 des Wärmetauschers 13 ein
und durchströmt diese von oben nach unten. Am unteren Ende
des Wärmetausches tritt der Wärmeträger
am Auslassrohr 36 aus. Im Wärmetauscher 13 wird
die Wärme des Wärmeträgers auf ein Dampfmedium 18 übertragen,
das sich in den Verdampfungskammern 25 befindet. Das Dampfmedium
wird vom Mediumspeicher 19 dem Wärmespeicher 13 mittels
der Pumpe 40 zugeführt. Das sich im Wärmetauscher 13 erwärmende
Dampfmedium 18 steigt nach oben, gelangt in die Dampfkammer 42 des
Wärmetauschers 13 und tritt von dort durch die
Dampfmediumauslassöffnungen 43 aus dem Wärmetauscher 13 aus
und in den Einlasskanal 50 der Kraftmaschine 2 ein.
Vom Einlasskanal 50 tritt das unter Druck stehende Dampfmedium
durch die Einlassöffnungen in die Düsenkammern 53 ein.
Da sich der Strömungskanal in der Düsenkammer 53 in
Richtung zur Düse 60 verjüngt wird der
Dampf beschleunigt und tritt aus der Düse 60 in
den Arbeitsraum 82 ein.
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Der
Arbeitsraum wird durch die innere Begrenzungsfläche 62,
einer äußeren Begrenzungsfläche, die
durch die Innenfläche der Isolierung 71 dargestellt
wird, den Ringvorsätzen 68, 69, dem Düsenabschnitt 55 und
einem der ausgestellten Flügel 73 begrenzt. Hierdurch
ist der Arbeitsraum – abgesehen von den eventuell vorhandenen
Spalten – geschlossen.
-
Beim
Passieren des Düsenabschnittes 55 befinden sich
die Flügel 73 ab einer Nenndrehzahl aufgrund der
Fliehkraft in den jeweiligen Aussparungen 72. Nach dem
Passieren des Düsenabschnittes 55 wird tritt ein
Teil des von der Düse 60 ausströmenden
Dampfes in die Tasche 89 und schwenkt den Flügel 73 aus
seiner Ruhestellung in die Arbeitsstellung, so dass der Arbeitsraum
geschlossen ist.
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Aufgrund
des durch den Dampf erzeugten Druckes im Arbeitsraum wird der Flügel
mit einer Kraft in Drehrichtung beaufschlagt, die den Rotor 16 in
Drehrichtung 45 antreibt. Bei der vorliegenden Kraftmaschine
werden die Prinzipien einer Verdrängungsmaschine, insbesondere
einer Kolbenmaschine, bei welcher ein Kolben in einer geschlossenen Kammer
mit Druck beaufschlagt wird, und von einer Turbine, bei der die
sich zueinander bewegenden Teile ohne aneinander reibende Komponenten
angeordnet sind, vereinigt. Deshalb kann diese Kraftmaschine auch
als Druckturbine bezeichnet werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Kraftmaschine wird der Rotor
kontinuierlich in Drehrichtung 45 bewegt, was wiederum
den Prinzipien einer Turbine entspricht. Passiert ein Flügel 73 den
Düsenabschnitt 55, so ist er im Normalbetrieb
aufgrund der Fliehkraft in die entsprechende Aussparung 72 des
Rotors 16 eingeschwenkt. Die Aussparung erstreckt sich
in Drehrichtung ein Stück über den Flügel 73 nach
hinten, so dass der durch die Düse 60 ausgeströmte Dampf
in die Aussparung 72 hinter dem langen Schenkelabschnitt 67 gelangt
und den Flügel von seiner Ruhestellung in seine Arbeitsstellung
ausschwenkt. Die Schwenkbewegung ist durch den Anschlag 80 begrenzt,
bei dessen Erreichen der Flügel seine Arbeitsstellung einnimmt.
In der Arbeitsstellung befindet sich die freie Endkante 81 angrenzend
zur inneren Begrenzungsfläche 62. Vorzugsweise
ist zwischen der freien Endkante 81 und der Begrenzungsfläche 62 ein
kleiner Spalt ausgebildet. Es kann jedoch auch eine Dichtung oder
ein Dichtmittel, insbesondere eine Flüssigkeit als Dichtmittel
vorgesehen sein.
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Wenn
eine Dichtung vorgesehen ist, dann ist sie derart ausgebildet, dass
keine nennenswerten Kräfte vom jeweiligen Flügel 73 auf
die innere Begrenzungsfläche 62 ausgeübt
werden und die Dichtung lediglich mit geringem Druck an der Begrenzungsfläche 62 entlang
gleitet. Hierdurch wird sichergestellt, dass die auf den Flügel
ausgeübte Kraft hauptsächlich auf den Rotor 16 übertragen
wird. Die Dichtung ist mechanisch vom Flügel entkoppelt.
Dies kann beispielsweise durch eine elastische Dichtung oder eine
Flüssigkeitsdichtung realisiert werden. Durch die mechanische
Entkopplung wird sichergestellt, dass der Flügel den auf
ihn ausgeübten Druck hauptsächlich in den Rotor
ableitet.
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Der
in seiner Arbeitsstellung befindliche Flügel 73 wird
entlang der gesamten inneren Begrenzungsfläche 62 bewegt,
wobei hier der Arbeitsraum zunehmend expandiert. Erreicht der Flügel
das Ende der Begrenzungsfläche 62, ist der Arbeitshub
abgeschlossen.
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In
der Arbeitsstellung wird durch den im Arbeitsraum bestehenden Druck
eine Kraft auf den schwenkbaren Flügel 73 ausgeübt,
die mittels des Stiftes 78 und des Anschlages 80 auf
den Rotor 16 übertragen wird und diesen in Drehrichtung 45 antreibt.
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Gelangt
der Flügel 73 in Drehrichtung 45 über
die innere Begrenzungsfläche 62 hinaus, so kann
der Dampf nach innen entweichen, da der Arbeitsraum nicht mehr geschlossen
ist. Dadurch baut sich der Druck ab, der am Flügel 73 anliegt,
wodurch dieser aufgrund der Zentrifugalkraft wieder in die Aussparung 72 einschwenkt.
Bei der weiteren Drehbewegung des Rotors 16 passiert der
Flügel den nächsten Düsenabschnitt 55 mit
seiner Düsenaußenfläche 56 ohne
hiermit in Berührung zu kommen. Die Düsenaußenfläche 56 besitzt
eine gewisse Erstreckung in Drehrichtung, so dass sie sich über
diesen Bereich an die Innenfläche des Rotors mit geringem Spalt
anschmiegt und eine gute Abdichtung des Arbeitsraumes bewerkstelligt.
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Beim
Anlaufen der Kraftmaschine 2 mit geringen Drehzahlen des
Rotors herrscht keine ausreichende Fliehkraft, um die Flügel
in die entsprechenden Aussparungen einzuschwenken. Sie werden deshalb
bei der Annäherung des Düsenabschnittes 55 von
den Führungskanten 66 der Führungsbleche 65 in
ihre Ruhestellung in den Aussparungen 72 entgegen der Federwirkung,
mit welcher die Flügel in ihre Arbeitsstellung gedrückt
werden, geschwenkt.
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Die
Düsenaußenfläche 56 ist in Umfangsrichtung
länger als die Tasche 89 ausgebildet. Hierdurch
wird sichergestellt, dass wenn sich eine der Taschen 89 neben
einem der Düsenabschnitte 55 befindet sie vollständig
von der Düsenaußenfläche 56 abgedeckt
wird. Beim Anlaufen der Kraftmaschine kann es sein, dass die Tasche
neben dem Düsenabschnitt angeordnet ist und sich der entsprechende
Flügel 73 noch in der Aussparung befindet. Würde
die Düsenaußenfläche die Tasche 89 nicht
vollständig abdecken, dann könnte es sein, dass
der Dampf entgegen zur Drehrichtung 45 durch die Tasche 89 zwischen dem
Düsenabschnitt 55 und der Isolierung entweichet,
wodurch sich kein Druck im Arbeitsraum aufbauen und die Kraftmaschine
nicht anfahren könnte.
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Der über
die innere Begrenzungsfläche 62 hinweg strömende
Dampf tritt nach innen durch die Auslassöffnungen 64 in
den Auslasskanal 51 und von dort über die Dampfmediumeinlassöffnung 44 aus der
Kraftmaschine 2 aus und in den Wärmetauscher 13 ein.
Die Führungsbleche 65 sind mit Abstand zur Innenwandung 48 angeordnet,
so dass hier keine Toträume entstehen und Dampf unter den
Führungsblechen 65 hindurch zu der Auslassöffnung
strömen kann.
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Im
Wärmetauscher 13 befindet sich der von der Kraftmaschine
abgeführte Dampf in der Regeneratorkammer 27.
In der Regeneratorkammer 27 strömt der Dampf nach
unten und gibt seine verbleibende Wärmeenergie an die Verdampfungskammer 25 ab.
Er tritt am unteren Ende des Wärmetauschers 13 an
Dampfmediumsabführöffnungen 88 aus dem Wärmetauscher 13 aus
und in den unteren Gehäusebereich 10 der KWK-Vorrichtung 1 ein.
Hier befindet sich der Kondensator 17, an dem das Dampfmedium Restwärme
abgeben kann, bis es kondensiert und sich im Mediumspeicher 19 sammelt.
Die im Kondensator aufgenommene Wärme kann über
einen Külkreislauf, der an die Zuleitung 86 und
Ableitung 87 angeschlossen ist, abgegeben werden. Der Kühlkreislauf
kann zum Heizen, bspw. einer Bodenheizung eines Gebäudes,
verwendet werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Kraftmaschine 2 kann
in einer kontinuierlichen Drehbewegung sehr effizient der Druck
im Dampf in Bewegung umgesetzt werden, da zum einen minimale Reibungsverluste entstehen
und zum anderen in einem quasi abgeschlossenen Arbeitsraum die Flügel
mit Druck beaufschlagt werden. Die kontinuierliche Drehbewegung erlaubt
zudem eine einfache, widerstandsarme Ausgestaltung der Kraftmaschine.
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Die
Kraftmaschine ist besonders vorteilhaft in einer KWK-Vorrichtung,
wobei die Kraftmaschine 2 mit einem Generator 14 zur
Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist. Zudem kann die Abwärme
der Kraftmaschine effizient zur Speisung eines Kühlkreislaufes
(Kondensator) genutzt werden. Vorzugsweise ist das Gehäuse 3 der
KWK-Vorrichtung vollständig isoliert, da hierdurch die
gesamten Wärmeverluste durch Abwärme am Generator,
Reibung und nicht genutzter Wärmeenergie in der Kraftmaschine
in der KWK-Vorrichtung verbleiben und am Kondensator zur Speisung
des Kühlkreislaufes kontrolliert abgeführt werden
kann.
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Das
Gehäuse 3 ist vorzugsweise druckdicht ausgebildet,
so dass die darin enthaltenen Elemente gasdicht von der Außenwelt
abgekapselt sind. Somit kann das Gehäuse mit einem Medium
zum Übertragen von Wärme gefüllt sein,
das im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Dampfmedium
ist, das seine Wärme an den Kondensator abgibt.
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Weiterhin
ist vorteilhaft an der erfindungsgemäßen KWK-Vorrichtung,
dass die Kraftmaschine unmittelbar auf dem Wärmetauscher
angeordnet ist, so dass keine langen Übertragungswege zum Übertragen
des Dampfes zwischen dem Wärmetauscher und der Kraftmaschine
notwendig sind. Dies macht zudem die gesamte KWK-Vorrichtung sehr
kompakt.
-
Die
Erfindung ist oben anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert
worden. Im Rahmen der Erfindung sind diverse Abwandlungen und alternative Ausgestaltungen
möglich.
-
So
ist es grundsätzlich möglich, den Rotor innen
und den Stator außen vorzusehen. Zum Beispiel kann beim
oben erläuterten Ausführungsbeispiel der Stator
mit dem Düsenabschnitt drehbar als Rotor ausgebildet sein
und der bisherige Rotor feststehend angeordnet sein. Bei einem innen
angeordneten Rotor können die Flügel auch als
Schieber ausgebildet sein, die durch Fliehkraft ausgestellt werden,
bis sie an einem Anschlag anschlagen. Schwenkflügel sind jedoch
aufgrund geringer Reibung gegenüber Schieberflügeln
bevorzugt.
-
Es
ist auch möglich, die Flügel am außen oder
innen liegenden Stator anzuordnen, wobei sie dann jedoch nicht durch
Fliehkraft betätigbar sind, sondern von einem elastischen
Element, insbesondere einem Federelement, zu beaufschlagen sind, wobei
sie mit einer Gleitkante oder einem Gleitlager entlang einer Steuerfläche
geführt werden, wodurch der Flügel zwischen seiner
Ruhestellung und seiner Arbeitsstellung hin und her bewegt wird.
Die oben beschriebene Ausgestaltung der Flügel ist jedoch
bevorzugt, da eine derartige Steuerung mittels einer Führungsfläche
zusätzliche Reibung verursacht.
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Bei
der Erfindung sind die Flügel in der Arbeitsstellung vorzugsweise
mit einem kleinen Spalt bezüglich der gegenüberliegenden
Begrenzungsfläche des Arbeitsraums angeordnet, so dass
keinerlei Reibung auftritt. Gleiches gilt auch für den
Düsenabschnitt und der ihm gegenüberliegenden
Fläche. Im Rahmen der Erfindung können diese Spalte
jedoch abgedichtet werden. Dies ist insbesondere mittels einer Flüssigkeitsdichtung
möglich, die zum Beispiel Glycerin umfasst. Das Glycerin
wird der Kraftmaschine einmal zugegeben und dichtet dauerhaft die
Spalte zwischen den Flügeln und den an den Flügeln
angrenzenden Flächen ab. Aufgrund der Zentrifugalkräfte
gelangt die Flüssigkeit nicht durch die Auslassöffnungen
in den Wärmetauscher. Die Flüssigkeit besitzt
einen höheren Siedepunkt als das Dampfmedium, so dass sie
nicht verdampft und ein dünner Flüssigkeitsfilm
die Spalte im Arbeitsraum abdichtet.
-
Die
Spalte, insbesondere zwischen den Flügeln und der gegenüberliegenden
Begrenzungsfläche, können auch mittels Kunststoffdichtungen,
Metalldichtungen (z. B. Federblech) abgedichtet werden, solange
sichergestellt ist, dass diese Dichtungen keine hohe Reibung verursachen.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die Flügel
am Stator anzuordnen. Dann sind die Düsen am Rotor anzuordnen,
so dass im Betrieb immer die Flügel und die Düsen
relativ zueinander bewegt werden.
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Vorzugsweise
ist der Arbeitsraum durch eine innere Begrenzungsfläche
und eine äußere Begrenzungsfläche (im
obigen Ausführungsbeispiel: Innenfläche der Isolierung)
begrenzt, die im wesentlichen parallel zueinander ausgebildet sind,
so dass der Arbeitsraum über seine gesamte Längserstreckung
im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche aufweist.
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Im
Rahmen der Erfindung können die Düsen auch an
anderer Stelle, insbesondere an Wandungen, die den Arbeitsraum seitlich
begrenzen, angeordnet werden. Die im oben dargelegten Ausführungsbeispiel
gezeigte Anordnung am in Drehrichtung rückwertigen Ende
des Arbeitsraumes ist jedoch bevorzugt, da sie einen maximalen Arbeitsweg
der Flügel unter Druck ermöglicht.
-
Es
ist auch möglich, die Kraftmaschine mit einem einzigen
Arbeitsraum auszubilden. Bei Verwendung von zwei diametral gegenüberliegenden Flügel
sollte sich der Arbeitsraum über einen Winkelbereich von
mehr als 180° erstrecken.
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Weiterhin
ist die Kraftmaschine und/oder die KWK-Vorrichtung mit einer Steuereinrichtung
versehen, die die Flüsse, insbesondere des Wärmeträgers und/oder
des Dampfmediums, steuert. Durch die Menge des zugeführten
Wärmeträgers kann die mechanische Leistung der
Kraftmaschine gesteuert werden. Diese KWK-Vorrichtung zeichnet sich
andererseits dadurch aus, dass im Strömungsweg des Dampfes
keine Ventile, Drosseln und lange Übertragungsleitungen
angeordnet sind, was die Kraftmaschine sehr robust und zuverlässig
macht. Durch die unmittelbare Anordnung der Kraftmaschine auf dem Wärmeträger
entfallen lange Übertragungswege und es sind keine Regelorgane
notwendig.
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Bei
einer weiteren Abwandlung kann der Generator mit einer Zuleitung
für flüssiges Dampfmedium versehen sein, mit dem
der Generator gekühlt wird. Das Dampfmedium wird im Generator
verdampft und das gasförmige Dampfmedium nach unten in
der KWK-Vorrichtung durch Öffnungen 90 im Gehäuse 26 des
Wärmetauschers 13 in die Regeneratorkammer 27 geführt.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der
Innenraum des Gehäuses der KWK-Vorrichtung mit Stickstoff
gefüllt sein, der im Kreislauf umgewälzt wird
und sich am Regenerator und/oder am Kondensator abkühlt
und zur Kühlung des Generators und/oder der Kraftmaschine dient.
-
Die
Erfindung kann folgendermaßen kurz zusammegefasst werden:
Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschine und eine KWK-Vorrichtung
mit einer solchen Kraftmaschine.
-
Die
erfindungsgemäße Kraftmaschine zeichnet sich dadurch
aus, dass ein Arbeitsraum durch einen ausstellbar gelagerten Flügel
begrenzt wird, der mittels eines Anschlages mit minimalem Abstand
zu einer gegenüberliegenden Begrenzungsfläche
justiert ist, so dass der Flügel von einem in einem Arbeitsraum
befindlichen Medium verdrängt wird, um einen Rotor zu bewegen,
wobei keine Reibung zwischen dem Flügel und der gegenüberliegenden
Begrenzungsfläche auftritt.
-
Die
KWK-Vorrichtung (Kraft-Wärmekopplungs-Vorrichtung) zeichnet
sich dadurch aus, dass in einem Gehäuse eine mit Dampf
betriebene Kraftmaschine, ein Generator und ein Wärmetausche
angeordnet sind. Durch das Gehäuse sind diese Elemente
gegenüber der Umwelt sowohl thermisch als auch druckdicht
abgekapselt.
-
- 1
- KWK-Vorrichtung
- 2
- Kraftmaschine
- 3
- Gehäuse
- 4
- kreisförmige
Deckenwandung
- 5
- kreisförmige
Bodenwandung
- 6
- zylindrische
Seitenwandung
- 7
- oberer
Gehäusebereich
- 8
- mittlerer
Gehäusebereich
- 9
- erste
Zwischenwandung
- 10
- unterer
Gehäusebereich
- 11
- zweite
Zwischenwandung
- 12
- Längsachse
- 13
- Wärmetauscher
- 14
- Generator
- 15
- Stator
- 16
- Rotor
- 17
- Kondensator
- 18
- Dampfmedium
- 19
- Mediumsspeicher
- 20
- Einlassrohr
- 21
- Wärmeträger
- 22
- Erhitzerrohrregister
- 23
- Erhitzerrohr
- 24
- Regeneratorrohr
- 25
- Verdampfungskammer
- 26
- rohrförmiges
Gehäuse
- 27
- Regeneratorkammer
- 28
- untere
Erhitzerlochplatte
- 29
- obere
Erhitzerlochplatte
- 30
- untere
Regeneratorlochplatte
- 31
- obere
Regeneratorlochplatte
- 32
- Rohrsegmente
- 33
- Zwischenlochplatte
- 34
- untere
Beschickungskammer
- 35
- obere
Beschickungskammer
- 36
- Auslassrohr
- 37
- Dampfmediumzuführöffnung
- 38
- Zuführkanal
- 39
- Zuführleitung
- 40
- Pumpe
- 41
- Segment
- 42
- Dampfkammer
- 43
- Dampfmediumauslassöffnung
- 44
- Dampfmediumeinlassöffnung
- 45
- Drehrichtung
- 46
- obere
Begrenzungswandung
- 47
- untere
Begrenzungswandung
- 48
- Innenwandung
- 49
- Ringsteg
- 50
- Einlasskanal
- 51
- Auslasskanal
- 52
- Einlassöffnung
- 53
- Düsenkammer
- 54
- Leitbleche
- 55
- Düsenabschnitt
- 56
- Düsenaußenfläche
- 57
- rückwärtige
konkave Düsenflächen
- 58
- vordere
konvexe Düsenflächen
- 59
- Seitenwandung
- 60
- Düse
- 61
- Formkörper
- 62
- innere
Begrenzungsfläche
- 63
- Stirnfläche
- 64
- Auslassöffnung
- 65
- Führungsbleche
- 66
- Führungskante
- 67
- freie
Kante
- 68
- Rotorkörper
- 69
- unterer
Ringvorsatz
- 70
- oberer
Ringvorsatz
- 71
- Isolierung
- 72
- Aussparungen
- 73
- Flügel
- 74
- Basisabschnitt
- 75
- kurzer
Schenkelabschnitt
- 76
- langer
Schenkelabschnitt
- 77
- Durchgangsbohrung
- 78
- Stift
- 79
- Anschlagsfläche
- 80
- Anschlag
- 81
- freie
Endkante
- 82
- Arbeitsraum
- 83
- Deckenwandung
- 84
- Welle
- 85
- Lager
- 86
- Zuleitung
- 87
- Ableitung
- 88
- Dampfmediumabführöffnung
- 89
- Tasche
- 90
- Öffnung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Dubbel, Taschenbuch
für den Maschinenbau, 21. Auflage, K. -H. Grote et al.,
Springer Verlag, ISBN 3-540-22142-5, Kapitel P, insbesondere Seite
P2 [0012]