DE102009025634A1 - Hubkolbenmaschine - Google Patents

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Abstract

Bei einer Hubkolbenmaschine, die mit Dampf beaufschlagbar ist und die wenigstens zwei einander nachgeordnete, aufeinander folgenden Entspannungsstufen des Dampfes zugeordnete Zylinder (11a, b; 11c) aufweist, die jeweils einen durch einen Kolben begrenzten Arbeitsraum mit wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass aufweisen, wobei die Kolben der einander nachgeordneten Zylinder (11a, b; 11c) bewegungsmäßig miteinander gekoppelt sind und wobei der Hubraum der einander nachgeordneten Zylinder (11a, b; 11c) von Entspannungsstufe zu Entspannungsstufe zunimmt, lässt sich dadurch ein besonders hoher Wirkungsgrad erreichen, dass die bewegungsmäßige Kopplung der Kolben der einander nachgeordneten Zylinder (11a, b; 11c) so ausgebildet ist, dass dem Kolben jedes einer höheren Entspannungsstufe zugeordneten Zylinders (11a, b) eine höhere Hubgeschwindigkeit zugeordnet ist als dem Kolben eines jeweils vorgeordneten Zylinders (11c).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, die mit Dampf, insbesondere Destillationsdampf, beaufschlagbar ist, und die wenigstens zwei einander nachgeordnete, aufeinander folgenden Entspannungsstufen des Dampfes zugeordnete Zylinder aufweist, die jeweils einen durch einen Kolben begrenzten Arbeitsraum mit wenigstens einem Einlass und Auslass aufweisen, wobei die Kolben der einander nachgeordneten Zylinder bewegungsmäßig miteinander gekoppelt sind und wobei der Hubraum der einander nachgeordneten Zylinder von Entspannungsstufe zu Entspannungsstufe zunimmt.
  • Eine Anordnung dieser Art ist aus der DE 10 2006 045 286 A1 bekannt. Hierbei sind die Kolben der einander nachgeordneten Zylinder bewegungsmäßig so miteinander gekoppelt, dass sich gleiche Hubgeschwindigkeiten und gleiche Hublängen ergeben. Zur Steigerung des Hubraums in Entspannungsrichtung sind hier lediglich unterschiedliche Kolbendurchmesser vorgesehen. Die damit erzielbare Hubraumsteigerung ist jedoch durch bauliche Vorgaben sehr begrenzt, so dass der Dampf nicht weit genug entspannt werden kann und daher Energie verloren geht.
  • Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hubkolbenmaschine eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass eine vergleichsweise hohe Ausnutzung des Energiegehalts des Dampfes gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die bewegungsmäßige Kopplung der Kolben der einander nachgeordneten Zylinder so ausgebildet ist, dass dem Kolben jedes einer höheren Entspannungsstufe zugeordneten Zylinders eine höhere Hubgeschwindigkeit zugeordnet ist, als dem Kolben eines jeweils vorgeordneten Zylinders.
  • Diese Maßnahmen ermöglichen in vorteilhafter Weise eine gesteigerte Hubfrequenz des Kolbens des einer höheren Entspannungsstufe zugeordneten Zylinders gegenüber der Hubfrequenz des Kolbens eines vorgeordneten, einer niedrigeren Entspannungsstufe zugeordneten Zylinders und/oder eine Vergrößerung der Länge des Kolbenhubs des nachgeordneten Zylinders gegenüber der Länge des Kolbenhubs eines vorgeordneten Zylinders und damit mit und ohne Durchmesservergrößerung insgesamt eine hohe Steigerung des pro Zeiteinheit wirksamen Volumens zur Aufnahme von Dampf. Es ist daher in vorteilhafter Weise möglich, den zur Verfügung stehenden Dampf weitestgehend zu entspannen und damit die im Dampf enthaltene Energie weitestgehend zu gewinnen, so dass insgesamt ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • So kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Hubfrequenz der Kolben der einander nachgeordneten Zylinder von Entspannungsstufe zu Entspannungsstufe um ein ganzes Vielfaches, z. B. mindestens um den Faktor vier, vorzugsweise um den Faktor sechs, zunimmt. Hierbei kann die Länge des Kolbenhubs der einander nachgeordneten Zylinder gleich sein, was in baulicher Hinsicht günstig ist.
  • Vorteilhaft kann gleichzeitig vorgesehen sein, dass auch der Durchmesser der Kolben der einander nachgeordneten Zylinder von Entspannungsstufe zu Entspannungsstufe zunimmt. Dabei kann eine Zunahme um mindestens den Faktor vier, vorzugsweise den Faktor acht vorgesehen sein. Mit dieser zusätzlichen Ausbildung ergibt sich eine besonders hohe Hubraumsteigerung.
  • Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, dass dem einer höheren Entspannungsstufe zugeordneten Zylinder mehrere, parallel beaufschlagte, kleinere Zylinder mit phasenverschoben arbeitenden Kolben vorgeordnet sind. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine kontinuierliche Dampfversorgung des nachgeordneten, größeren Zylinders.
  • Vorteilhaft können den Zylindern durch Getriebeelemente miteinander gekoppelte Kurbelwellen zugeordnet sein, wobei die dem der höheren Entspannungsstufe zugeordneten Zylinder zugeordnete Kurbelwelle mit der Kurbelwelle wenigstens eines vorgeordneten Zylinders mittels eines Übersetzungsgetriebes mechanisch gekoppelt ist. Diese mechanische Kopplung ergibt eine einfache und robuste Bauweise und gewährleistet daher eine hohe Zuverlässigkeit.
  • In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kann der Kolben jedes Zylinders wenigstens eine Durchlassöffnung aufweisen, der ein Durchlassventil zugeordnet ist, das als kolbenseitig geführtes, freifliegendes Ventil ausgebildet ist, das einen der Kolbenunterseite zugeordneten Ventilteller und einen die Durchlassöffnung durchgreifenden Schaft aufweist und bei Annäherung des Kolbens an den oberen Totpunkt durch Anlaufen des schaftseitigen Endbereichs an einen oberen Anschlag geöffnet und bei Annäherung des Kolbens an den unteren Totpunkt durch Anlaufen des Ventiltellers an einen unteren Anschlag geschlossen wird. Diese Maßnahmen ermöglichen in vorteilhafter Weise eine vergleichsweise verlustarme Betriebsweise. Es sind daher auch noch sehr geringe Energiemengen von Dampf mit vergleichsweise geringem Druck verwertbar, wie er z. B. bei der Salzwasserdestillation etc. unter an Vakuum grenzendem Niederdruck anfällt, die ein Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist.
  • Bei einer Destillationsvorrichtung, insbesondere zur Erzeugung einer Reinflüssigkeit aus einer Rohflüssigkeit, wie zur Entsalzung von Salzwasser, mit einer Verdampfungseinrichtung und einer über eine Verbindungsleitung mit dem Dampfausgang der Verdampfungseinrichtung verbundenen Kondensationseinrichtung, ist die erfingunsgemäße Hubkolbenmaschine zweckmäßig in der Verbindungsleitung angeordnet. Auf diese Weise wird der Energiegehalt des Dampfes automatisch zum Betrieb der Hubkolbenmaschine nutzbar gemacht.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
  • In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung einer Anlage zur Süßwasserdestillation mit einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine und
  • 2: einen Schnitt durch einen der Zylinder der Hubkolbenmaschine der 1.
  • Die der 1 zugrundeliegende Anlage enthält einen Verdampfer 1 und einen Kondensator 2, dem ein Kondensatbehälter 3 nachgeordnet ist. Der Verdampfer 1 wird über eine Versorgungseinrichtung 4 mit Verdampfungsflüssigkeit versorgt. Dabei kann es sich um Kondensat aus dem Kondensatbehälter 3 handeln. Im dargestellten Beispiel wird das im Kondensator 2 anfallende Kondensat gewonnen. Dementsprechend ist der Kondensatbehälter 3 mit einem Auslass 5 versehen. Der Verdampfer 1 wird dementsprechend anderweitig mit Verdampfungsflüssigkeit versorgt. Hierbei kann es sich um Salzwasser handeln, aus dem durch die Verdampfung und anschließende Kondensation Süßwasser hergestellt wird. Der Verdampfer 1 wird ferner mit der erforderlichen Verdampfungswärme beaufschlagt, wie durch Doppelpfeile 6 angedeutet ist. Dabei kann es sich um die Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine oder um Solarenergie etc. handeln. Der Kondensator 2 wird gekühlt. Dabei kann zweckmäßig aus der Umgebung entnommene Kühlluft Verwendung finden, die durch den Kondensator durchgeleitet wird, wie durch einen Doppelpfeil 7 angedeutet ist.
  • Die nötige Verdampfungstemperatur im Verdampfer 1 lässt sich durch Absenkung des Drucks absenken. Bei der Salzwasserdestillation findet die Verdampfung zweckmäßig zur Erzielung einer besonders geringen Verdampfungstemperatur unter einem an Vakuum grenzenden niedrigen Druck statt, so dass als Wärmequelle Solarenergie genügt. In Fällen dieser Art erfolgt verdampferseitig und kondensatorseitig eine Evakuierung des die Flüssigkeit enthaltenden Gefäßsystems. Hierzu sind in Fällen dieser Art eine verdampferseitige und eine kondensatorseitige Evakuiereinrichtung vorgesehen, wie in 1 durch Pfeile 8a, 8b angedeutet ist.
  • Der Verdampfer 1 und der Kondensator 2 sind durch eine Verbindungsleitung 9 miteinander verbunden, in welcher der im Verdampfer 1 erzeugte Dampf infolge eines vorhandenen Druckgefälles in Richtung Kondensator 2 strömt. Um die im Dampf enthaltene Energie zu nutzen, ist in der Verbindungsleitung 9 eine mittels des Dampfes betätigbare Dampfmaschine 10 angeordnet, die erfindungsgemäß als Hubkolbenmaschine ausgebildet ist. Diese ist dabei so ausgebildet, dass der Dampf in mehreren, aufeinander folgenden Stufen entspannt wird. Hierzu enthält die genannte Dampfmaschine 10 wenigstens zwei dampfseitig einander nachgeordnete Zylinderanordnungen, die aufeinander folgenden Entspannungsstufen des Dampfes zugeordnet sind. Im dargestellten Beispiel enthält die erste Zylinderanordnung zwei kleinere Zylinder 11a, b und die nachgeordnete Zylinderanordnung einen demgegenüber größeren Zylinder 11c. Die Zylinder 11a, b, werden parallel mit Dampf beaufschlagt. Dementsprechend ist die Verbindungsleitung 9 in zwei den Zylindern 11a, b zugeordnete Äste 9a, b aufgeteilt. Die Auslässe der Zylinder 11a, b münden ineinander ein, wodurch die Aufsplittung der Verbindungsleitung 9 rückgängig gemacht wird. Diese führt im Anschluss an die erste Zylinderanordnung über einen zweckmäßig im Verdampfer 1 angeordneten Überhitzer 12 und dann zum Eingang des Zylinders 11c der zweiten Entspannungsstufe.
  • Jeder der Zylinder 11a, b, c enthält, wie am besten aus 2 ersichtlich ist, einen durch einen axial bewegbaren Kolben 13 nach oben begrenzten Arbeitsraum 14, der über einen unteren Einlass 15 mit Dampf beaufschlagbar und über einen oberen Auslass 16 entlastbar ist. Dem Einlass 15 ist ein zweckmäßig in der zugeordneten Versorgungsleitung angeordnetes Einlassventil 26 zugeordnet, das so steuerbar ist, dass der Arbeitsraum 14 im verkleinerten Zustand mit Dampf beaufschlagt wird, der sich anschließend ausdehnen kann, wodurch der Kolben 13 angehoben wird. Die Zylinder 11a, b der ersten Entspannungsstufe arbeiten um 180° phasenverschoben, so dass der nachgeordnete Zylinder 11d mehr oder weniger kontinuierlich mit Dampf beaufschlagt wird. Dieser ist so ausgebildet, dass er entsprechend der in der ersten Entspannungsstufe stattfindenden Entspannung des Dampfes ein größeres Volumen aufnehmen kann, als die Zylinder 11a, b.
  • Hierzu sind im dargestellten Beispiel zwei Maßnahmen vorgesehen. Zunächst besitzt der Zylinder 11c der zweiten Entspannungsstufe einen größeren Durchmesser als die Zylinder 11a, b der vorgeordneten Entspannungsstufe. Außerdem ist dem Kolben 13 des Zylinders 11c eine größere Hubgeschwindigkeit zugeordnet als den Kolben 13 der vorgeordneten Zylinder 11a, b. Bei gleicher Hubfrequenz der Kolben 13 aller drei Zylinder 11a, b, c kann der Kolben 13 des Zylinders 11c dabei einen längeren Weg zurücklegen und damit eine größere Hublänge aufweisen als die Kolben 13 der vorgeordneten Zylinder 11a, b. Im dargestellten Beispiel sind sämtliche Zylinder 11a, b, c gleich lang, so dass bei allen drei Zylindern 11a, b, c gleiche Hublängen vorliegen. Dabei ergibt sich in Folge der höheren Hubgeschwindigkeit im Bereich des Zylinders 11c eine schnellere Hubfrequenz als in den vorgeordneten Zylindern 11a, b, wodurch sich bezogen auf die Hubfrequenz der Kolben 13 der vorgeordneten Zylinder 11a, b, eine Steigerung des Dampfvolumen-Aufnahmevermögens ergibt.
  • Die Hubfrequenz im Zylinder 11c unterscheidet sich von der Hubfrequenz in den vorgeordneten Zylindern 11a, b zweckmäßig um ein ganzes Vielfaches. Eine Steigerung um den Faktor vier, vorzugsweise den Faktor sechs kann sich dabei als zweckmäßig erweisen. Dies bedeutet, dass der Kolben 13 des Zylinders 11c vier bzw. sechs Hübe ausführt, während die Kolben 13 der vorgeordneten Zylinder 11a, b jeweils lediglich einen Hub ausführen. Die vorhandene Vergrößerung der Querschnittsfläche des Zylinders 11c gegenüber den vorgeordneten Zylindern 11a, b kann ebenfalls mindestens dem Faktor vier, vorzugsweise dem Faktor acht entsprechen. Insgesamt ergibt sich dementsprechend pro Zeiteinheit beim Zylinder 11c ein wesentlich größerer Dampfvolumendurchsatz als bei den Zylindern 11a, b. Der den Zylinder 11c verlassende Dampf ist dementsprechend weitestgehend entspannt. Der vom Ausgang des Zylinders 11c abgehende Ast der Verbindungsleitung 9 führt dementsprechend zum Kondensator 2.
  • Die Kolben 13 der Zylinder 11a, b und 11c sind bewegungsmäßig miteinander gekoppelt. Hierzu sind den Zylindern 11a, b, c Kubelwellen 17a, b, c zugeordnet, die jeweils über eine Kurbelstange 18 mit einer aus dem zugeordneten Zylinder 11a, b, c herausgeführten Kolbenstange 19 des betreffenden Kolbens 13 zusammenwirken und durch Umlaufgetriebe, beispielsweise in Form von Kettentrieben, drehschlüssig miteinander gekoppelt sind. Hierzu sind die Kurbelwellen 17a, b, c mit jeweils einem Umlenkrad 20 verbunden, über das ein Umlauforgan 21 läuft. Die Kopplung der den Zylindern 11a, b, zugeordneten Kurbelwellen 17a, b, erfolgt im Verhältnis 1:1. Die Kopplung einer dieser Kurbelwellen 17a, b mit der dem Zylinder 11c der zweiten Entsperrungsstufe zugeordneten Kurbelwelle 17c erfolgt mit einer der gewünschten Differenz der Hubgeschwindigkeiten der betreffenden Kolben 13 entsprechenden Übersetzung. Hierzu ist eine der Kurbelwellen 17a, b im dargestellten Beispiel die der Kurbelwelle 17c benachbarte Kurbelwelle 17b mit einem zweiten Umlenkrad 22 verbunden, das über das zugeordnete Umlenkrogan 21 mit dem Umlenkrad 20 der Kurbelwelle 17c zusammenwirkt. Die Umlenkräder 20 können gleichen Durchmesser aufweisen, so dass sich gleiche Geschwindigkeiten der den Zylindern 11a, b zugeordneten Kurbelwellen 17a, b ergeben. Das zweite Umlenkrad 22 der Kurbelwelle 17b ist gegenüber dem Umlenkrad 20 der Kurbelwelle 17c so vergrößert, dass sich das gewünschte Übersetzungsverhältnis ergibt. Auf diese Weise entsteht ein der Kurbelwelle 17c zugeordnetes Übersetzungsgetriebe 23 mit dem gewünschten Übersetzungsverhältnis von z. B. 1:4, vorzugsweise 1:6.
  • In einfachen Fällen kann das Übersetzungsgetriebe 23 ein fest vorgegebenes Übersetzungsverhältnis aufweisen. Es wäre aber auch denkbar, das Übersetzungsgetriebe 23 als Stellgetriebe auszubilden, dessen Übersetzungsverhältnis verstellbar ist. Die Einstellung des Übersetzungsverhältnisses kann dabei zweckmäßig in Abhängigkeit von der Enthalpie des Dampfes erfolgen. Die Steuerung der den Zylindern 11a, b, c vorgeordneten Einlassventile 26 kann zweckmäßig über von den Kurbelwellen 17a, b, c antreibbare Nockenscheiben 24 erfolgen, wie aus 1 anschaulich erkennbar ist. In 1 sind hierzu geeignete Steuerhebel 25 vorgesehen. Anstelle einer derartigen mechanischen Steuerung wäre natürlich auch eine elektronische Steuerung denkbar.
  • Eine der Kurbelwellen 17a, b, c, zweckmäßig die am schnellsten laufende Kurbelwelle 17c, dient als Abtriebswelle der Hubkolbenmaschine 10, die eine Arbeitsmaschine im dargestellten Beispiel einen Generator 26 antreibt, der Strom erzeugt. Auf diese Weise wird die dem Dampf entzogene Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die auf diese Weise erfolgende Absenkung der Energie des Dampfes erleichtert die Kondensation im Kondensator 2 und damit die gewünschte Gewinnung von Kondensat.
  • Die Zylinder 11a, b, c besitzen, wie schon erwähnt, den aus 2 ersichtlichen Aufbau mit einem durch einen axial bewegbaren Kolben 13 nach oben begrenzten Arbeitsraum 14, der über einen unteren Einlass 15 mit Dampf beaufschlagbar und über einen oberen Auslass 16 entlastbar ist, wobei dem Einlass 15 ein Einlassventil 26 vorgeordnet ist. Der Kolben 13 ist mit wenigstens einer axialen Durchlassöffnung 27 versehen, der ein Ventil zugeordnet ist. Dieses enthält einen der Kolbenunterseite zugeordneten Ventilteller 28, mittels welcher die zugeordnete Durchlassöffnung 27 abdeckbar ist, und einen diese durchgreifenden Ventilschaft 29. Dieser ist mit einem auf der zugeordneten Kolbenstange 19 in axialer Richtung bewegbaren Lagerteil 30 verbunden. Das so gebildete Durchlassventil 31 ist als freifliegendes Ventil ausgebildet, das nur durch die Bewegung des Kolbens 13 und durch zugeordnete Anschläge verstellt wird.
  • Zweckmäßig ist der Kolben 13 mit mehreren Durchlassöffnungen 27 und diesen zugeordneten Durchlassventilen 31 versehen. Im dargestellten Beispiel sind zwei einander diametral gegenüberliegende Durchlassöffnungen 27 und Durchlassventile 31 vorgesehen, die zweckmäßig ein gemeinsames, auf der Kolbenstange 19 aufgenommenes Lagerteil 30 aufweisen können.
  • Das Lagerteil 30 ist mit einer oberen Abflachung versehen, die mit einer gegenüberliegenden Anschlagfläche in Form der Innenseite der oberen Begrenzungswand des zugeordneten Zylinders zusammen wirkt. Bei einer Annäherung des Kolbens 13 an den oberen Totpunkt läuft die obere Abflachung des Lagerteils 13 an die gegenüberliegende, zylinderseitige Anschlagfläche an, wodurch die gesamte Ventilanordnung gegenüber dem nach oben sich bewegenden Kolben 13 gestoppt wird, so dass die Ventilteller 28 von der Unterseite des Kolbens 13 abgehoben und damit die Durchlassöffnungen 27 geöffnet werden.
  • Bei einer Annäherung des Kolbens 13 an den unteren Totpunkt laufen die Ventilteller 12 mit ihrer Unterseite auf eine gegenüberliegende, im Bereich der unteren Begrenzung des Arbeitsraums 14 vorgesehene Anschlagfläche auf, wodurch die Durchlassventile 31 geschlossen werden. Diese Situation liegt der 2 zugrunde. Zweckmäßig ist der Boden des Arbeitsraums 14 zur Bildung von Anschlägen mit nach oben vorspringenden Nocken 32 versehen, so dass sich im unteren Totpunkt ein Abstand zwischen dem Kolben 13 und dem Boden des Arbeitsraums 14 ergibt, was die Einleitung von Dampf in den Arbeitsraum 14 erleichtert. Gleichzeitig oder alternativ könnten natürlich auch die Ventilteller 28 mit nach unten vorspringenden Anlaufnocken versehen sein.
  • Der Auslass 16 ist so platziert, dass er im Laufe der Hubbewegung des Kolbens 13 überfahren wird, wodurch sich eine Verbindung mit dem Arbeitsraum 14 ergibt.
  • In der unteren Kolbenstellung kommuniziert der Arbeitsraum 14 nur mit dem Einlass 15. In der der 2 zugrundeliegenden unteren Kolbenstellung wird der Arbeitsraum 14 durch Öffnen und Schließen des Einlassventils 26 mit der gewünschten Menge Dampf beaufschlagt. Durch die Expansion des Dampfes wird der Kolben 13 angehoben, wobei die Ventilteller 28 der Durchlassventile 31 durch den Dampfdruck in der Schließstellung gehalten werden. Sobald der Auslass 16 bzw. eine den Auslass 16 bildende Anzahl von Bohrungen der seitlichen Zylinderwand vom Kolben 13 überfahren werden, ergibt sich eine Kommunikation des Arbeitsraums 14 mit dem Auslass 16. Dieser ist so dimensioniert, dass der Druck im Arbeitsraum 16 dadurch nicht völlig zusammen bricht, sondern dass sich nur eine Vorentlastung des Arbeitsraums 14 ergibt. Der Kolben 13 wird dabei weiter nach oben bewegt, bis das Lagerteil 30 am zugeordneten Anschlag anläuft und die Durchlassöffnungen 27 geöffnet werden.
  • Bei der anschließenden, durch die Kolbenstange 19 bewirkten Abwärtsbewegung des Kolbens 13 bleiben die Durchlassventile 31 in Folge der an den Ventilteilen angreifenden Schwerkraft in der Öffnungsstellung, so dass der Dampf aus dem sich verkleinernden Arbeitsraum 14 über die Durchlassöffnungen 27 in den Raum oberhalb des Kolbens 13 gelangen und über den Auslass 16 abströmen kann. Dieser Vorgang wird beendet, sobald die Ventilteller 27 auf den zugeordneten Anschlag auflaufen und damit an den Kolben 13 angestellt werden. Der Auslass 16 kann direkt an eine den vom betreffenden Zylinder wegführenden Ast der Verbindungsleitung 9 bildende Rohrleitung angeschlossen sein. Im dargestellten Beispiel mündet der Auslass 16 in einen durch einen den Zylinder umfassenden Ringraum gebildeten Sammelraum 33, von dem der wegführende Ast der Verbindungsleitung 9 abgeht. Der umlaufende Sammelraum stellt sicher, dass zur Bildung des Auslasses 16 mehrere, umfangsseitig gegeneinander versetzte Radialbohrungen vorgesehen sein können. Dem Einlass 15 ist im in 1 dargestellten Beispiel eine Einlasskammer 34 vorgeordnet, an die der zum betreffenden Zylinder hin führende, das Einlassventil 26 enthaltende Ast der Verbindungsleitung 9 angeschlossen ist. Aber auch ein direkter Anschluss der Verbindungsleitung 9 an den Einlass 15, wie in 2 dargestellt, ist denkbar.
  • Die bewegungsmäßige Kopplung der Kolben 13 sämtlicher Zylinder 11a, b, c stellt sicher, dass die hin- und hergehende Bewegung der Kolben 13 über die Totpunkte hinweg aufrecht erhalten wird. Um dies noch zu verbessern, kann einer der Kurbelwellen 17a, b, c ein Schwungrad zugeordnet sein.
  • Beim dargestellten Ausführungsbeispiel findet zum Betrieb der die Hubkolbenmaschine 10 bildenden Dampfmaschine Destillationsdampf Verwendung, der bei der Herstellung einer destillierten Flüssigkeit, beispielsweise bei der Herstellung von Süßwasser aus Salzwasser, ohnehin erzeugt werden muss. Selbstverständlich wäre es natürlich auch denkbar, ausschließlich zum Betrieb der Hubkolbenmaschine 10 erzeugten Dampf zu verwenden. In diesem Falle könnte beispielsweise die dem Verdampfer 1 zugeordnete Versorgungsleitung 4 einfach vom Kondensatbehälter 3 abgehen, so dass sich ein Kreislauf der Prozessflüssigkeit ergäbe.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102006045286 A1 [0002]

Claims (20)

  1. Hubkolbenmaschine, die mit Dampf, insbesondere Destillationsdampf, beaufschlagbar ist, und die wenigstens zwei einander nachgeordnete, aufeinander folgenden Entspannungsstufen des Dampfes zugeordnete Zylinder (11a, b; 11c) aufweist, die jeweils einen durch einen Kolben (13) begrenzten Arbeitsraum (14) mit wenigstens einem Einlass (15) und wenigstens einem Auslass (16) aufweisen, wobei die Kolben (13) der einander nachgeordneten Zylinder (11a, b;, 11c) bewegungsmäßig miteinander gekoppelt sind und wobei der Hubraum der einander nachgeordneten Zylinder (11a, b; 11c) von Entspannungsstufe zu Entspannungsstufe zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegungsmäßige Kopplung der Kolben (13) der einander nachgeordneten Zylinder (11a, b; 11c) so ausgebildet ist, dass dem Kolben (13) jedes einer höheren Entspannungsstufe zugeordneten Zylinders (11c) eine höhere Hubgeschwindigkeit zugeordnet ist, als dem Kolben (13) eines jeweils vorgeordneten Zylinders (11a, b).
  2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub der Kolben (13) der einander nachgeordneten Zylinder (11a, b, c) gleich ist und dass die Hubfrequenz dieser Kolben (13) von Entspannungsstufe zu Entspannungsstufe um ein ganzes Vielfaches zunimmt.
  3. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kolben (13) der einander nachgeordneten Zylinder (11a, b; 11c) von Entspannungsstufe zu Entspannungsstufe zunimmt.
  4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Flächen der Kolben (13) der einander nachgeordneten Zylinder (11a, b; 11c) mindestens 1:4, vorzugsweise 1:8 beträgt.
  5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Hubfrequenzen der Kolben (13) der einander nachgeordneten Zylinder (11a, b; 11c) mindestens 1:4, vorzugsweise 1:6 beträgt.
  6. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem einer höheren Entspannungsstufe zugeordneten Zylinder (11c) mehrere, parallel beaufschlagte, kleinere Zylinder (11a, b) mit phasenverschoben arbeitenden Kolben (13) vorgeordnet sind.
  7. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Zylindern (11a, b, 11c) durch Getriebeelemente miteinander gekoppelte Kurbelwellen (17a, b, c) zugeordnet sind, wobei jede einem der höheren Entspannungsstufe zugeordneten Zylinder (11c) zugeordnete Kurbelwelle (17c) mit einer Kurbelwelle (17a, b) wenigstens eines vorgeordneten Zylinders (11a, b) mittels eines Übersetzungsgetriebes (23) mechanisch gekoppelt ist.
  8. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsgetriebe (23) als verstellbares Getriebe mit einstellbarer Übersetzung ausgebildet ist.
  9. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsgetriebe (23) in Abhängigkeit von der vorhandenen Enthalpie des Dampfes einstellbar ist.
  10. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der höheren Entspannungsstufe zugeordneten Zylinder (11c) eine Überhitzungseinrichtung (12) vorgeordnet ist.
  11. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (13) jedes Zylinders (11a, b, c) wenigstens eine Durchlassöffnung (27) aufweist, der ein Durchlassventil (31) zugeordnet ist, das als kolbenseitig geführtes, freifliegendes Ventil ausgebildet ist, das einen der Kolbenunterseite zugeordneten Ventilteller (28) und einen die Durchlassöffnung (27) durchgreifenden Schaft (29) aufweist und bei Annäherung des Kolbens (13) an den oberen Totpunkt durch Anlaufen des schaftseitigen Endbereichs an einen oberen Anschlag geöffnet und bei Annäherung des Kolbens an den unteren Totpunkt durch Anlaufen des Ventiltellers (28) an einen unteren Anschlag geschlossen wird.
  12. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (13) mit einer aus dem zugeordneten Zylinder (11a, b, c) herausgeführten Kolbenstange (19) versehen ist, auf der jedes zugeordnete Durchlassventil (31) mit einem im Bereich des oberen Endes des Schafts (29) vorgesehenen Lagerteils (30) geführt ist.
  13. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7–12 dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (19) des Kolbens (13) mit einer jeweils zugeordneten Kurbelwelle (17a, b, c) zusammenwirkt.
  14. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (13) mehrere Durchlassöffnungen (27) aufweist und dass die diesen zugeordneten Durchlassventile (31) ein gemeinsames, auf der Kolbenstange (19) geführtes Lagerteil (30) aufweisen, das eine obere Anlauffläche aufweist, dem ein durch eine obere Begrenzung des zugeordneten Zylinders gebildeter Anschlag zugeordnet ist, und dass wenigstens ein Ventilteller (28) eine untere Anlauffläche aufweist, der ein durch eine untere Begrenzung des zugeordneten Zylinders gebildeter Anschlag zugeordnet ist.
  15. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11–14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einlass (15) eine Einlasskammer (34) vorgeordnet ist, in die eine mit einem Einlassventil (26) versehene Versorgungsleitung einmündet.
  16. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11–15, dadurch gekennzeichnet, dass der vorzugsweise durch mehrere, über den Umfang verteilte Bohrungen gebildete Auslass (16) in einen durch einen äußeren Ringraum des zugeordneten Zylinders (11a, b, c) gebildeten Sammelraum (13) mündet, von dem eine Entsorgungsleitung abgeht.
  17. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie bei einer Destillationseinrichtung, insbesondere bei einer Einrichtung zur Erzeugung von Süßwasser aus Salzwasser, mit wenigstens einer Verdampfungseinrichtung (1) und wenigstens einer über eine Verbindungsleitung (9) mit dem Dampfausgang der Verdampfungseinrichtung (1) verbundenen Kondensationseinrichtung (2) in der Verbindungsleitung (9) angeordnet ist.
  18. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinrichtung (1) und die Kondensationseinrichtung (2) dampfseitig evakuierbar sind.
  19. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Antriebsquelle für eine zugeordnete Arbeitsmaschine, vorzugsweise einen Generator (26), vorgesehen ist.
  20. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise durch einen Generator (26) gebildete Arbeitsmaschine antriebsmäßig an dem der höheren Entspannungsstufe des Dampfes zugeordneten, schneller laufenden Zylinder (11c) hängt.
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DE102006045286A1 (de) 2006-09-22 2008-04-03 Kbh Engineering Gmbh Dampfmaschine

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