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Die Erfindung betrifft eine (Kolben-) Dampfmaschine und eine Dampfmaschinenanordnung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 5, wie sie z. B. zum Betrieb bei der Destillation von Meerwasser unter Vakuum, in Biomassenheizungen sowie Solaranlagen einsetzbar sind.
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Es ist bekannt, siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Dampfmaschine, dass Kolben-Dampfmaschinen hydrodynamische Energie aus Dampferzeugern (Dampfdruck) in mechanische Rotationsbewegung umsetzen. Dabei bewegt sich ein Kolben in einem zugehörigen Zylinder hin und her, er führt eine oszillierende Bewegung aus (Arbeitstakt). Dabei kann der Kolben einseitig oder zweiseitig beaufschlagt werden. Die HinBewegung wird jeweils mit Druck des Dampfes als Arbeitsdruck ausgeführt. Die Rückbewegung wird bei einseitig beaufschlagten Kolben (einfachwirkender Zylinder) aus gespeicherter Rotationsenergie ausgeführt, während beim zweiseitig beaufschlagten Kolben (doppelwirkender Zylinder) diese Rückbewegung ebenfalls als Arbeitstakt erfolgt, per Dampfdruck-Ansteuerung (externe Schiebersteuerung) nunmehr auf der unteren Seite des Kolben.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einseitig wirkende Zylinder, so dass im Weiteren unter Dampfmaschine stets eine einfachwirkende Kolben-Dampfmaschine zu verstehen ist.
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Der Kolben wird in einem ersten Arbeitstakt mit Dampfdruck erst nach unten bzw. in Richtung Kurbelwelle verschoben. Die Linearbewegung des Kolbens wird dabei meist mittels Pleuel und Kurbelwelle in Rotation umgesetzt. Das Pleuel schiebt anschließend (zweiter Arbeitstakt) mit der gespeicherten Rotationsenergie den Kolben wieder aus der untersten Lage (unterer Totpunkt) linear zurück in seine obere Ausgangsposition (oberer Totpunkt); man spricht von einem Zweitaktverfahren.
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So ist aus der
US 3 910 160 A eine einseitig wirksame Kolben-Dampfmaschine bekannt, bei welcher der einen relativ hohen Mantel besitzende Kolben in einem Zylinder läuft, dessen untere Hälfte innen mit axialen Auslasskanälen versehen ist. Die Pendel-Kolbenstange besitzt in Höhe ihrer Anlenkung im Kolben zwei Querarme, die einerseits eine durch den Kolben hindurchgeführte Einlass-Steuerstange zum Betätigen eines in einem Einlassraum befindlichen Einlassventils bewegt und andererseits eine ebenfalls durch den Kolben hindurchgeführte Auslass-Steuerstange anhebt, die über eine hochklappbare Kolbenscheibe mehrere Auslassöffnungen im Kolben abdeckt oder öffnet. Insgesamt stellt dies eine relativ komplexe Bauweise dar.
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Zudem ist in der
DE 10 2006 045 286 A1 und der
WO 2008/ 034 544 A2 eine Kolben-Dampfmaschine beschrieben, die im Vergleich zur Vorbeschriebenen seitenverkehrt aufgebaut ist, also mit dem Einlass unten und dem Auslass oben. Es ist ein relativ niedriger, scheibenförmiger Kolben vorgesehen, der axial in einer aus dem Zylinderboden abragenden langen Führung durch eine lange Steuerstange, die einlassseitig ebenfalls starr und in axialer Verlängerung zur Kolbenstange angebrachte ist und durch den Zylinderkopf, den Einlassraum und durch das Einlassventil verschieblich hindurchgeführt ist. Dabei reicht die Steuerstange weit in eine hohe zylinderförmige Ausbuchtung der Einlasskammer hinein und ist mit einer Druckfeder an ihrem Ende versehen. Somit besitzt der Körper/Zylinder dieser bekannten Dampfmaschine insgesamt eine relativ große Länge. Zudem sind im Kolben zwei Auslassöffnungen vorgesehen, mit je einem Ventil, deren Ventilplatte oder Ventilkopf einlassseitig unter Dampfdruck die Auslassöffnungen abdecken bzw. verschließen, während die Ventilschäfte durch die Auslassöffnung hindurchtreten. Dabei sind die Enden der beiden Ventilschäfte über einen hohen, von der Kolbenstange durchsetzten Führungsbügel miteinander diagonal verbunden und axial geführt. Der hohe Führungsbügel verursacht eine zusätzliche Verlängerung des Zylinders und damit der gesamten Dampfmaschine, wodurch sie nur sehr bedingt z. B. im Haushalt einsetzbar ist.
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Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Dampfmaschine oben genannter Gattung zu schaffen, die einer nur geringen Baugröße im Leistungsbereich als Kleinenergieträger im Haushalt eingesetzt werden kann. Zudem ist eine Dampfmaschinenanordnung anzugeben, die eine optimale wirtschaftliche Funktion sicherstellt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine gattungsgemäße Dampfmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Dampfmaschinenanordnung gemäß Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Fortbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Demgemäß ist die Steuerstange mit ihrem unteren Ende axial verschieblich durch den Kolben durchgeführt und ragt in eine axiale lange Sackloch-Öffnung der Kolbenstange hinein. Sie trägt zudem am hineinragenden Ende eine Anschlagschulter, während ihr oberes Ende zentrisch durch die mittige Einlassöffnung hindurchgeführt ist und in eine zentrische Sackloch-Öffnung des hutförmigen Einlassventils axial verschieblich hineinreicht. Durch diese teleskopische Verschiebbarkeit der Steuerstange und der Kolbenstange zueinander, wird die Baugröße der Dampfmaschine zumindest längenmäßig verringert.
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Von Vorteil ist, wenn eine Druckfeder in der Sackloch-Öffnung der Kolbenstange vorgesehen ist, die sich einerseits an der Ringschulter der Steuerstange und andererseits am Boden der Sackloch-Öffnung abstützt. Zudem, wenn eine zentrische Druckfeder zwischen Kolben und Einlassventil vorgesehen ist, geführt auf der Steuerstange. Schließlich, wenn eine Druckfeder zentrisch vorgesehen ist in der Zylinderführung im Einlassraum und sich an dessen Boden und an der Stirnfläche des Führungsteiles des Einlassventils abstützt. Dabei sind die drei Federn aufeinander abgestimmt, in Abhängigkeit von den Wegen des Kolbens und der Steuerstange. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die Ventile bedarfsweise früher oder später anzusteuern.
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Vorteilhaft ist auch, dass die Auslass-Ventile auch an der aus der Unterseite des Kolbens herausragenden Ventilschafts eine Ventilscheibe besitzen und dass zwischen dem oberen Ventilteller und Kolben eine Druckfeder angeordnet ist. Dabei findet beim nach unten Drücken und somit Schließen des Ventils durch sattes Aufliegen auf der Kolbenstirnfläche, die Feder in einer Ring-Ausnehmung im Kolben Aufnahme. Zudem ist im Ventilschaft nahe dem unteren Schaftende ein diagonal quer hindurchgeführter Anschlagstift vorgesehen. Hierdurch sind sehr einfache und leichte Auslassventile vorgesehen, die durch ihre niedrige Bauweise ebenfalls zur Längenreduktion der Dampfmaschine wesentlich beitragen.
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Positiv wirkt sich auch aus, dass die Einlassöffnung zentrisch im Zylinderkopf angeordnet ist. Dabei ist das Einlassventil hutartig ausgebildet, mit unterem Abdicht-Flansch und oberem Führungsteil, wobei eine zwischen oberer Innen Stirnfläche der Einlasskammer und Kalotte/Führungsteil wirksamen Druckfeder das Einlassventil nach unten gedrückt hält, die Einlassöffnung schließend, während die auf der Steuerstange geführte Druckfeder an dem Einlassventil-Flansch axial ansteht. Dabei greift die Steuerstange bei Anlaufen des oberen Totpunktes in die Sackloch-Öffnung des Einlassventils von unten ein.
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In Lösung einer der Teilaufgaben ist eine Dampfmaschinenanordnung unter Verwendung mindestens einer vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Dampfmaschine, greifen vorzugsweise zwei Dampfmaschinen, gegenläufig wirkend an der gleichen Kurbel gemeinsam an, während die Dampfmaschinen insgesamt pendelnd (mit/auf einer Platte) angeordnet sind, während ihre Kolbenstangen gemeinsam an der Kurbel angelenkt sind, die mit einer Antriebswelle in Verbindung steht. Hierdurch entfällt die Verwendung von Pleuelstangen, bei sicherer Betriebsweise.
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Dabei kann das Schwenk-Pendeln der Zylinder jeweils um eine Achse erfolgt, die auf einer durch die Kurbel-Achse hindurch geführte Verbindungsache liegen, wobei die Zylinder selbst oder mit einer Schwenkplatte die Pendelbewegung ausführen.
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Der Arbeitsraum ist in seiner oberen Begrenzung mit einer koaxialen Dampfeinlassöffnung versehen, der ein Einlassventil zugeordnet ist, das zweckmäßig mittels einer mit dem Kolben wirk-verbundenen Steuerstange steuerbar ist. Die Einlassöffnung geht dabei von einem das Einlassventil enthaltenden Einlassraum ab, der an eine Versorgungsleitung anschließbar ist.
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Im Rahmen der Dampfmaschinenanlage ist auch ein Dampferzeuger vorsehbar, der nach folgenden Funktionsprinzip aufbaubar ist:
- Ein Verdampferrohr hat innen eine vergrößerte Fläche durch einen Aluminiumfingerkühlkörper und soll nicht mit flüssigem Wasser betrieben werden, sondern mit einer Sprühnebeldüse mittels einer Hochdruckpumpe, so dass der Nebel schlagartig verdampft.
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Damit entfällt auch die Wasservorlage, was sich vorteilhaft auf die Dampfherstellung auswirkt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines axialen Schnittes eines Zylinders einer erfindungsgemäßen Dampfmaschine,
- 2 - 5: den Zylinder gemäß 1 in vier verschiedenen Betriebsphasen,
- 6: eine schematisch dargestellte Darstellung einer zwei Zylinder gemäß 1 umfassende Dampfmaschinenanlage/ -anordnung, und
- 7: eine Ansicht der Anlage nach 6.
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Die der Darstellung gemäß 1 zugrundeliegende Dampfmaschine enthält einen Zylinder 1, in welchem ein auf- und abbewegbarer Kolben 2 angeordnet ist. Dieser ist mit einer nach unten aus dem Zylinder 1 herausgeführten Schub- oder Kolbenstange 3 starr verbunden, die (hier nicht dargestellt, siehe aber 6) an eine Kurbel 5 angelenkt ist. Der Kolben 2 bildet eine verschiebbare, untere Begrenzung eines im Zylinder 1 vorgesehenen Arbeitsraums 6, in welchem hierin befindlicher Dampf durch Expansion Energie abgibt.
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Durch die Expansion des Dampfes wird der Kolben 2 nach unten oben verschoben. Oberhalb des Kolbens 2 befindet sich im Zylinder 1 ein durch den Kolben 2 vom Arbeitsraum 6 getrennter Auslassraum 7, der mit einer nach oben abgehenden Abdampföffnung 8 versehen ist, an die eine Abdampfleitung anschließt.
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Der Arbeitsraum 6 ist durch Auslassöffnungen, denen je ein Auslassventil zugeordnet ist, mit dem Auslassraum 7 verbunden. Hierzu ist der Kolben 2 mit wenigstens einer eine Auslassöffnung bildenden, axialen Durchlassöffnung 10 versehen, der ein Auslassventil 11 zugeordnet ist. Dieses besitzt einen der Kolbenoberseite zugeordneten Ventilteller 12 und einen der Kolbenunterseite zugeordneten Ventilteller 14 , mittels welcher die Durchlassöffnung 10 von oben oder von unten her abdeckbar ist sowie einen die Durchlassöffnung 10 durchgreifenden Ventilschaft 13. Unter dem oberen Ventilteller ist eine den Ventilschaft umgebende Druckfeder 15 vorgesehen, die mit ihrem unteren Ende in einer Ringausnehmung 16 sich axial abstützend einsitzt. Zudem ist nahe dem unteren Ende des Ventilschaftes 13 ein Anschlagstift 17 quer durch diesen hindurchgeführt, der zur axialen Wegbegrenzung des Ventils in seiner Bewegung nach oben, unter Kraft der Druckfeder 15 dient und dabei verhindert, dass der untere Ventilteller die Auslassöffnung 10 dabei abdeckt, also schließt.
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Bei einer Annäherung des Kolbens 2 an den unteren Totpunkt laufen die unteren Ventilteller 14 an die Anschlagfläche 18 im Auslassraum 7 an, wodurch die Auslassventile 11 nach oben gedrückt und damit die oberen Ventilteller 12 von der verschließenden Anlage am Kolben 2 abgehoben werden, wie ebenfalls aus 2 erkennbar ist. Dabei erfolgt die abhebende Bewegung bis auf Anschlag des Anschlagstiftes 17 an der Unterseite des Kolbens. Die Durchlass- oder Auslassöffnungen 10 sind damit geöffnet.
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Bei einer Annäherung des Kolbens 2 an den oberen Totpunkt laufen die oberen Ventilteller 12 mit ihrer als Anlauffläche ausgebildeten Oberseite auf eine gegenüberliegende, im Bereich der oberen Begrenzung des Arbeitsraums 6 vorgesehene Anschlagfläche 19 auf, wodurch die Auslassventile 11 geschlossen werden, wie aus 4 ersichtlich ist.
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Der Arbeitsraum 6 wird im dargestellten Beispiel mit extern erzeugtem Dampf beaufschlagt. Hierzu ist eine zentrische Dampfeinlassöffnung 20 in der den Arbeitsraum nach oben abgrenzenden Wand 21 vorhanden, der ein hut- oder flanschförmiges Einlassventil 22 zugeordnet ist. Dieses besitzt einen oberen Führungsteil 23, ein unteres Flanschteil 24 und eine axiale Sackloch-Öffnung 25. Dabei ist das Führungsteil 23 in einer Zylinderführung 26 an der Oberseite des Einlassraumes 28, in den ein an eine Dampfversorgungsleitung angeschlossener Einlass 29 führt, axial verschieblich angeordnet und über eine zwischenbefindliche Druckfeder 27 abdichtend nach unten gedrückt gehalten.
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In die Sackloch-Öffnung 25 reicht das obere Ende einer Steuerstange 30 axial verschieblich hinein und vermag bei seiner Aufwärtsbewegung das Einlassventil anzuheben, wobei die Einlassöffnung geöffnet wird.
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Die vom Kolben 2 nach oben abragende Steuerstange 30 ist dabei mit ihrem oberen Ende durch die Dampfeinlassöffnung 20 geführt und tritt mit ihrem andern Ende verschieblich durch den Kolben 2 hindurch. Eine Druckfeder 34 umgibt dabei die Steuerstange 30 und stützt sich einerseits an der Unterseite des Einlassventils 22 und andererseits an der Oberseite des Kolbens 2 ab. Zudem reicht die Steuerstange mit ihrem unteren Ende in eine lange Sackloch-Öffnung 35 der relativ dicken Kolbenstange axial verschiebbar hinein. Dabei ist dem unteren Ende der Steuerstange eine Anschlag-Schulter 32 zugeordnet, die als Wegbegrenzung der Steuerstange nach oben dient. Schließlich ist die Druckfeder 34 vorhanden, die einerseits im grund der Sackloch-Öffnung 35 und andererseits an der Unterseite der Anschlagschulter 32 abgestützt ist, dabei an einem End-Zapfen 33 angeifend.
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Im Betrieb arbeitet die erfindungsgemäße Dampfmaschine (wie in 2 - 5 dargestellt) folgendermaßen:
- Wenn sich der Kolben 2 gemäß 2 im unteren Totpunkt befindet, stehen die Auslassventile 11 mit ihren unteren Ventiltellern 14 an der unteren Anschlagfläche 18 an, wodurch die Ventile 11 im Kolben 2 nach oben gedrückt sind bis auf Anschlag an den Anschlagstiften 17. Sie befinden sich dabei in Öffnungsstellung. Dementsprechend ist der im Arbeitsraum 6 sich befindende Dampf über die Abdampföffnung 8 abgeströmt, wodurch der Arbeitsraum 6 entlastet ist.
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Wird nun der Kolben 2 aufwärts bewegt, dann bleiben die Auslassventile 11 aufgrund der Einwirkung der Druckfedern 15 zunächst in der geöffneten Stellung, wie in 3 dargestellt. Das Einlassventil 22 bleibt dabei zunächst ebenfalls in der geschlossenen Stellung, so dass der sich verkleinernde Arbeitsraum 6 über die offenen Auslassventile 11 entleert wird. Erst bei der Annäherung des Kolbens 2 an den oberen Totpunkt laufen die Ventilteller 12 mit ihrer Oberseite auf die obere Anschlagfläche 19 auf, wodurch die Auslassventile 11 geschlossen werden. Gleichzeitig wird das Einlassventil 22 durch die Steuerstange 30 und Druckfeder 31 geöffnet, so dass Dampf in den Arbeitsraum 6 einströmen kann. Diese Situation liegt der 4 zugrunde.
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Hierdurch wird der Kolben 2 nach unten bewegt, wie in 5 dargestellt ist. Die Auslassventile 11 bleiben dabei infolge des auf die Oberseite der Ventilteller 12 wirkenden Dampfdrucks in ihrer Schließstellung. Bereits im Verlauf der Abwärtsbewegung des Kolbens 2 wird das Einlassventil 22 geschlossen, wobei der im Arbeitsraum 6 sich befindende Dampf ohne weitere Zufuhr von Frischdampf weiter expandieren kann.
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Bei erneuter Annäherung des Kolbens 2 an den unteren Totpunkt laufen die unteren Ventilteller 14 an der unteren Anschlagfläche 18 an, wodurch die Auslassventile 11 in die Öffnungsstellung gelangen, wie in 2 dargestellt. Dementsprechend kann nun der im Arbeitsraum 6 sich befindende Dampf über die Abdampföffnung 8 abströmen, wodurch der Arbeitsraum 6 entlastet wird.
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Um die hin- hergehende Bewegung des Kolbens 2 über die Totpunkte hinweg aufrechtzuerhalten, kann die Schubstange 3 mit einem Schwungrad zusammenwirken. Zweckmäßig können hierzu einfach mehrere Zylinder 1, die phasenverschoben arbeitend miteinander gekoppelt sein. In 6 und 7 sind zwei gegenläufig arbeitende Zylinder 1 der der 1 zugrunde liegenden Art miteinander gekoppelt. Hierzu sind die Kolbenstangen 3 gemeinsam angelenkt an einem Kurbelrad 40, das mit einer Antriebswelle verbunden ist, die zum Antrieb einer Maschine, beispielsweise eines Generators dient. Dabei sind die Zylinder mit einer Schwenkscheibe 44 verbunden, die ein Pendeln um eine Schwenkachse 45 erlaubt. Hierdurch entfällt eine zusätzliche Pleuelstange.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Zylinder
- 2.
- Kolben
- 3.
- Kolbenstange
- 6.
- Arbeitsraum
- 7.
- Auslassraum
- 8.
- Abdampföffnung
- 10.
- Durchlassöffnung
- 11.
- Auslassventil
- 12.
- oberer Ventilteller
- 13.
- Ventilschaft
- 14.
- unterer Ventilteller
- 15.
- Druckfeder
- 16.
- Ringausnehmung
- 17.
- Anschlagstift
- 18.
- untere Anschlagfläche
- 19.
- obere Anschlagfläche
- 20.
- Dampfeinlassöffnung
- 21.
- oben abgrenzende Wand
- 22.
- Einlassventil
- 23.
- oberes Führungsteil
- 24.
- unteres Flanschteil
- 25.
- Sacklochöffnung
- 26.
- Zylinderführung
- 27.
- Druckfeder
- 28.
- Einlassraum
- 29.
- Einlass
- 30.
- Steuerstange
- 31.
- Druckfeder
- 32.
- Anschlagschulter
- 33.
- End-Zapfen
- 34.
- Druckfeder
- 35.
- Sacklochöffnung
- 40.
- Kurbelrad
- 41.
- Kurbelachse
- 44.
- Schwenkscheibe
- 45.
- Schwenkachse
- 46.
- Verbindungsachse
