-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln von in einem Fluid
enthaltener thermodynamischer Energie in mechanische Arbeit nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Eine
solche Erfindung ist aus der
EP 0 974 802 B1 bekannt. Die ersten und zweiten
Zylinderköpfe
weisen hier jeweils Einlass- und Auslassöffnungen auf, welche mittels
Ventilen geöffnet
bzw. geschlossen werden. Der Kolben ist mit einer durch einen der Zylinderköpfe sich
erstreckenden Kolbenstange versehen. Damit wird die kinetische Energie
des Kolbens auf einen Kurbeltrieb übertragen. – Das Vorsehen von Ein- und
Auslassventilen sowie eines Ventiltriebs sind aufwendig. Dadurch
vermindert sich außerdem
der Wirkungsgrad der bekannten Vorrichtung.
-
Aus
der
DE 25 20 43 ist eine
weitere gattungsgemäße Vorrichtung
bekannt. Hier sind ebenfalls Einlassventile vorgesehen, welche über eine
als Steuerwelle ausgebildete Ventilsteuerung gesteuert werden.
-
Bei
dem aus der
WO
2006/085186 A1 bekannten Dampfmotor weist ein Zylinder
jeweils zwei Einlassöffnungen
und zwei Auslassöffnungen
auf. Die Einlassöffnungen
und Auslassöffnungen
werden über
einen Schieber geöffnet
und geschlossen.
-
Aus
der
US 3,680,442 ist
ein Dampfmotor bekannt, bei dem ein Zylinder eine Einlassöffnung und
eine Auslassöffnung
aufweist. In dem Zylinder ist ein mit Fluidkanälen versehener Kolben angeordnet. Die
Fluidkanäle
stehen wechselweise mit der Einlassöffnung und der Auslassöffnung in
Verbindung.
-
Die
DE 202 06 361 U1 offenbart
eine Implosions-Dampfmaschine mit doppelt wirkendem Kolben. Dabei
ist an beiden Enden des Zylinders innen jeweils eine Sprüheinrichtung
für Flüssigkeit
vorhanden, sowie eine Öffnung
für den
Ablauf der Flüssigkeit.
Auch diese Implosions-Dampfmaschine ist relativ kompliziert aufgebaut.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu
beseitigen. Es soll insbesondere eine möglichst einfach aufgebaute
Vorrichtung zur Umwandlung von in einem Fluid enthaltener thermodynamischer
Energie in mechanische Arbeit angegeben werden. Nach einem weiteren
Ziel der Erfindung soll die Vorrichtung einen möglichst hohen Wirkungsgrad
aufweisen.
-
Nach
Maßgabe
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolben zumindest einen Kolbenboden aufweist,
von dem sich in Richtung des ersten und des zweiten Zylinderkopfs
jeweils ein erstes und ein zweites Kolbenhemd erstreckt,
dass
im ersten Kolbenhemd ein erster Durchbruch und im zweiten Kolbenhemd
ein zweiter Durchbruch vorgesehen sind,
dass bei einer vorgegebenen
1. Position des Kolbens in der Nähe
des ersten Zylinderkopfs der erste Durchbruch mit einer im Zylinder
vorgesehenen korrespondierenden ersten Einlassöffnung und gleichzeitig der
zweite Durchbruch mit einer im Zylinder vorgesehenen korrespondierenden
zweiten Auslassöffnung
fluchten, und
dass bei einer vorgegebenen 2. Position des Kolbens in
der Nähe
des zweiten Zylinderkopfs der erste Durchbruch mit einer im Zylinder
vorgesehenen korrespondierenden ersten Auslassöffnung und gleichzeitig der
zweite Durchbruch mit einer im Zylinder vorgesehenen korrespondierenden
zweiten Einlassöffnung
fluchten.
-
Die
vorgeschlagene Vorrichtung ist besonders einfach aufgebaut. Sie
ist doppelt-wirkend ausgeführt.
Indem auf Schieber und/oder Ventile zum Öffnen und/oder Schließen der
Ein- und Auslassöffnungen
verzichtet wird, kann der Herstellungsaufwand drastisch reduziert
und damit gleichzeitig der Wirkungsgrad der vorgeschlagenen Vorrichtung
erhöht
werden.
-
Im
Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einem "Fluid" ein Dampf oder ein
Gas verstanden, welches unter einem Überdruck an der jeweiligen Einlassöffnung ansteht.
-
Mit
der vorgeschlagenen Vorrichtung kann mechanische Arbeit überall dort
erzeugt werden, wo Fluide mit einer bestimmten thermodynamischen Mindestenergie
zur Verfügung
stehen. Beispielsweise kann mit der vorgeschlagenen Vorrichtung
mechanische Arbeit bei der Gasdruckreduzierung in Gasübergabestationen,
bei der Dampfentspannung im Rankine oder ORC-Prozess oder bei der
Gasentspannung erzeugt werden. Die erzeugte mechanische Arbeit wird
vorzugsweise zur Stromgewinnung verwendet.
-
Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen der erste Zylinderkopf
einen sich in den Zylinderraum erstreckenden ersten Vorsprung und
der zweite Zylinderkopf einen sich in den Zylinderraum erstreckenden
zweiten Vorsprung auf. Der Vorsprung vermindert das Volumen des
jeweiligen Hubraums. Je nach Größe des Vorsprungs
kann damit das Volumen des Hubraums und in Folge dessen das Entspannungsverhältnis beliebig
eingestellt werden. Je größer das
Volumen des Vorsprungs gewählt
wird, desto größer ist
das Entspannungsverhältnis.
-
Der
Vorsprung ist vorteilhafterweise in Form eines zylindrischen Körpers ausgebildet,
welcher unter Ausbildung eines Ringspalts in den Zylinderraum vorspringt.
Insbesondere kann der erste Vorsprung so ausgebildet sein, dass
der in der ersten Position des Kolbens vom ersten Kolbenhemd zumindest
abschnittsweise umgeben ist und der zweite Vorsprung kann so ausgebildet
sein, dass er in der zweiten Position des Kolbens vom zweiten Kolbenhemd
zumindest abschnittsweise umgeben ist.
-
Der
erste und der zweite Durchbruch sind vorteilhafterweise in der Nähe des Kolbenbodens vorgesehen.
Dabei kann der Kolbenboden auch als Doppelboden ausgeführt sein. – Die vorgenannten Merkmale
ermöglichen
es insbesondere, die Vorsprünge
in einem weiteren Bereich zu variieren. Eine Höhe der in den Zylinderraum
ragenden Vorsprünge ist
dabei allerdings höchstens
so groß zu
wählen, dass
der Durchbruch im jeweiligen Kolbenhemd nicht durch den Vorsprung
verschlossen wird, wenn der Kolben sich bezüglich dieses Kolbenhemds am
unteren Totpunkt befindet.
-
Zur
Auskopplung der mechanischen Arbeit kann sich eine am Kolbenboden
angebrachte erste Kolbenstange durch den ersten Zylinderkopf erstrecken.
Ferner kann sich auch eine am Kolbenboden angebrachte zweite Kolbenstange
durch den zweiten Zylinderkopf erstrecken. Die erste Kolbenstange kann
einen ersten Generator, vorzugsweise einen ersten Lineargenerator,
antreiben. In ähnlicher
Weise kann auch die zweite Kolbenstange einen zweiten Generator,
vorzugsweise einen zweiten Lineargenerator, antreiben. Mit dem vorgeschlagenen
Vorsehen einer oder zweier Kolbenstangen kann auf besonders einfache
Weise die mechanische Arbeit ausgekoppelt werden. Die Kolbenstangen
ist/sind dabei im jeweiligen Zylinderkopf geführt und mit herkömmlichen
Dichtungen abgedichtet.
-
Die
erste und die zweite Einlassöffnung
sind zweckmäßigerweise über erste
Leitungen mit einem Gasreservoir oder einem Verdampfer verbunden. Ferner
können
die erste und die zweite Auslassöffnung über zweite
Leitungen mit einem Kondensator verbunden sein. Dem Kondensator
kann stromabwärts
zumindest ein Wärmetauscher
zur Auskopplung der im Kondensat enthaltenen Wärme nachgeschaltet sein. Die
vorgeschlagene Ausgestaltung ermöglicht
gleichzeitig die Auskopplung von Wärme sowie die Erzeugung von
Strom. Damit eignet sich die Vorrichtung in dieser Ausgestaltung
zur Versorgung von Gebäuden
mit Wärme
und Strom, z. B. als Blockheizkraftwerk.
-
Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 Einen
Dampfmotor in einem ersten Zustand,
-
2 den
Dampfmotor gemäß 1 in
einem zweiten Zustand,
-
3 den
Dampfmotor gemäß 1 in
einem dritten Zustand,
-
4 den
Dampfmotor gemäß 1 in
einem vierten Zustand und
-
5 eine
Vorrichtung zur Erzeugung von Strom und Wärme unter Verwendung des Dampfmotors
gemäß 1.
-
Bei
dem in den Figuren gezeigten Dampfmotor ist in einem Zylinder 1 ein
Kolben 2 hin- und her verschiebbar aufgenommen. Der Kolben 2 weist
einen doppelten Kolbenboden 3 auf, von dem sich ein erstes
Kolbenhemd 4 und gegenüberliegend
ein zweites Kolbenhemd 5 erstreckt. Im ersten Kolbenhemd 4 ist
in der Nähe
des Kolbenbodens 3 ein erster Durchbruch 6 vorgesehen.
Im zweiten Kolbenhemd 5 ist in der Nähe des Kolbenbodens 3 ein
zweiter Durchbruch 7 vorgesehen. Der Zylinder 1 ist
an seinen gegenüberliegenden
Enden mit einem ersten Zylinderkopf 8 und einem zweiten
Zylinderkopf 9 verschlossen. Einer der beiden Zylinderköpfe 8, 9 kann auch
einstückig
mit dem Zylinder 1 hergestellt sein. Vom ersten Zylinderkopf 8 erstreckt
sich ein erster Vorsprung 10 und vom zweiten Zylinderkopf 9 ein zweiter
Vorsprung 11 in einen von der Innenwand des Zylinders 1 umgebenen
Zylinderraum. Die Vorsprünge 10, 11 sind
hier in Form von Vollzylindern ausgeführt. Sie sind zweckmäßigerweise
lösbar,
z. B. mit einer Schraubverbindung, mit den Zylinderköpfen 8, 9 verbunden.
Zwischen den Vorsprüngen 10, 11 und der
Innenwand des Zylinders 1 ist jeweils ein erster 12 und
ein zweiter Ringschlitz 13 ausgebildet. Eine Breite der
Ringschlitze 12, 13 ist so bemessen, dass das
Kolbenhemd 4, 5 darin ohne Berührung mit dem jeweiligen Vorsprung 10, 11 eingeschoben
werden kann.
-
1 zeigt
den Dampfmotor in einem ersten Zustand, bei dem der Kolben 2 sich
an einem unteren Totpunkt in der Nähe des ersten Zylinderkopfs 8 befindet.
Bei dieser ersten Position des Kolbens 2 fluchtet der erste
Durchbruch 6 mit einer dazu korrespondierenden ersten Einlassöffnung 14 im
Zylinder 1. Gleichzeitig fluchtet der zweite Durchbruch 7 mit
einer dazu korrespondierenden zweiten Auslassöffnung 15, welche
ebenfalls im Zylinder 1 vorgesehen ist. Mit dem Bezugszeichen 16 ist
eine erste Auslassöffnung
und mit dem Bezugszeichen 17 eine zweite Einlassöffnung bezeichnet,
welche ebenfalls im Zylinder 1 vorgesehen sind. Der Kolben 2 ist
schließlich gegenüber der
Innenwand des Zylinders 1 durch Kolbenringe 18 abgedichtet.
-
Die
Funktion des Dampfmotors wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 näher erläutert. Bei
der in 1 gezeigten ersten Posi tion des Kolbens 2 strömt durch
die erste Einlassöffnung 14 und
den damit fluchtenden ersten Durchbruch 6 unter einem ersten
Druck stehender Dampf D in einem ersten Hubraum H1 ein. Gleichzeitig
ist ein zweiter Hubraum H2 über
den mit der zweiten Auslassöffnung 15 fluchtenden
zweiten Durchbruch 7 mit einer Umgebung verbunden, deren
zweiter Druck geringer als der im ersten Hubraum H1 herrschende
erste Druck ist. Infolge dessen wird der Kolben 2 in Richtung
des zweiten Zylinderkopfs 9 bewegt. Damit wird die Verbindung
des ersten 6 und des zweiten Durchbruchs 7 zu
dem Einlassöffnungen 14, 17 sowie
zu den Auslassöffnungen 15, 16 verschlossen.
Dieser zweite Zustand des Dampfmotors ist in 2 gezeigt.
-
3 zeigt
einen dritten Zustand des Dampfmotors, bei dem sich der Kolben 2 an
einem oberen Totpunkt in der Nähe
des zweiten Zylinderkopfs 9 befindet. Bei dieser zweiten
Position des Kolbens 2 fluchtet der zweite Durchbruch 7 mit
der zweiten Einlassöffnung 17.
Gleichzeitig fluchtet der erste Durchbruch 6 mit der zweiten
Auslassöffnung 16.
Unter dem ersten Druck stehender Dampf D strömt nunmehr durch die zweite
Einlassöffnung 17 sowie
den zweiten Durchbruch 7 in den zweiten Hubraum H2. Gleichzeitig
wird aus dem ersten Hubraum H1 durch den ersten Durchbruch 6 und
die erste Auslassöffnung 16 der
beim vorhergehenden Takt entspannte Dampf abgeführt. Nunmehr befindet sich
der erste Hubraum H1 auf dem zweiten Druck, welcher geringer ist
als der im zweiten Hubraum H2 herrschende erste Druck. Dieser Zustand
ist in 3 gezeigt.
-
Der
Kolben 2 wird nunmehr in Richtung des ersten Zylinderkopfs 8 bewegt.
Dabei wird wiederum eine Verbindung des ersten Durchbruchs 6 sowie
des zweiten Durchbruchs 7 mit den Einlassöffnungen 14, 17 sowie
den Auslassöffnungen 15, 16 unterbrochen. Anschließend beginnt
erneut der in 1 gezeigte nächste Arbeitszyklus.
-
Der
in der 1 bis 4 gezeigte Dampfmotor kann nicht
nur mit Dampf, sondern mit jeglichen unter Druck stehenden Gas betrieben
werden.
-
5 zeigt
eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom sowie von
Wärme unter
Verwendung des in den 1 bis 4 gezeigten Dampfmotors.
Eine schematisch angedeutete Kolbenstange 19 ist dabei
am Kolbenboden 3 befestigt und durch den zweiten Vorsprung 11 sowie
den zweiten Zylinderkopf 9 geführt. Die Kolbenstange 19 ist dabei
mittels (hier nicht gezeigten) herkömmlicher Dichtungen abgedichtet.
Mit dem Bezugszeichen 20 ist ein Lineargenerator bezeichnet,
welcher durch die Bewegung der Kolbenstange 19 Strom erzeugt.
Der zum Betrieb des Dampfmotors erforderliche Dampf wird in einem
Verdampfer 21 erzeugt, der mit einem Flüssigkeitsreservoir 22,
ggf. unter Zwischenschaltung (einer hier nicht gezeigten Pumpe)
verbunden ist. Die Einlassöffnungen 14, 17 sind über erste
Leitungen 23 mit dem Dampferzeuger 21 verbunden.
Mit dem Bezugszeichen 24 ist ein Kondensator bezeichnet,
welcher über
zweite Leitungen 25 mit den Auslassöffnungen 15, 16 verbunden
ist. Zur Auskopplung einer Wärme
des mit dem Kondensators 24 erzeugten Kondensats kann dem
Kondensator 24 ein Wärmetauscher 26 nachgeschaltet
sein.
-
In
einer Ausgestaltung kann der Kondensator 24 auch mit dem
Flüssigkeitsreservoir 22 verbunden
sein. Damit kann das Kondensat also im Kreislauf geführt werden.
-
Nach
einer weiteren Ausgestaltung kann die mit dem Lineargenerator 20 erzeugte
elektrische Energie in einer Batterie gespeichert und zum Betrieb eines
Elektromotors verwendet werden. Der Elektromotor kann beispielsweise
zu Antriebszwecken in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Insoweit
kann der Dampferzeuger 21 beispielsweise mit Erdgas betrieben
werden.
-
- 1
- Zylinder
- 2
- Kolben
- 3
- Kolbenboden
- 4
- erstes
Kolbenhemd
- 5
- zweites
Kolbenhemd
- 6
- erster
Durchbruch
- 7
- zweiter
Durchbruch
- 8
- erster
Zylinderkopf
- 9
- zweiter
Zylinderkopf
- 10
- erster
Vorsprung
- 11
- zweiter
Vorsprung
- 12
- erster
Ringschlitz
- 13
- zweiter
Ringschlitz
- 14
- erste
Einlassöffnung
- 15
- zweite
Auslassöffnung
- 16
- erste
Auslassöffnung
- 17
- zweite
Einlassöffnung
- 18
- Kolbenring
- 19
- Kolbenstange
- 20
- Lineargenerator
- 21
- Verdampfer
- 22
- Flüssigkeitsreservoir
- 23
- erste
Leitung
- 24
- Kondensator
- 25
- zweite
Leitung
- 26
- Wärmetauscher
- H1
- erster
Hubraum
- H2
- zweiter
Hubraum
- D
- Dampf