DE102011082620B4

DE102011082620B4 - Hubkolbendampfmaschine mit innerer kühlung

Info

Publication number: DE102011082620B4
Application number: DE201110082620
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: DE102011082620A1; WO2013037645A2; WO2013037645A3

Abstract

Hubkolbendampfmaschine umfassend: – einen Arbeitszylinder (2), – einen im Arbeitszylinder (2) längsverschieblich aufgenommenen Arbeitskolben (3), – zumindest ein Einlassventil (9e), über das der Arbeitszylinder (2) mit einem ein- oder mehrkomponentigen Arbeitsmedium befüllbar ist, und – zumindest ein Auslassventil (9a), über welches das Arbeitsmedium aus dem Arbeitszylinder (2) entfernbar ist, dabei sind das Einlass-(9e) und das Auslassventil (9a) so steuerbar, dass der Arbeitskolben (3) zur Verrichtung von Hubarbeit in einer Expansionsphase mit gasförmigem, unter Druck stehendem Arbeitmedium beaufschlagbar ist und in einer Ausschubphase das Arbeitsmedium aus dem Arbeitszylinder (2) durch den Arbeitskolben (3) ausschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbendampfmaschine Sprühvorrichtungen (20) aufweist, zum Einsprühen von zumindest einer Komponente des Arbeitsmediums als aerosoles Kondensat (22) unterhalb der Verdampfungstemperatur in den Arbeitszylinder (2) während einer Kompressionsphase, in der sich der Arbeitskolben (3) von der unteren Totpunktlage zur oberen Totpunktlage bewegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbendampfmaschine in einem geschlossenen Arbeitsmittelkreislauf zur Ver- und Entsorgung der Hubkolbendampfmaschine mit Arbeitsmittel. Die Hubkolbendampfmaschine ist dabei bevorzugt eine schadraumlose Hubkolbendampfsmaschine mit aufrechtstehendem oder liegendem Hubkolben. Die Erfindung betrifft sowohl Arbeitsmittelkreisläufe in denen einzylindrige als auch mehrzylindrige Dampfmaschinen der Hubkolbenbauweise angeordnet sein können. Der für die Versorgung der Hubkolbendampfmaschine notwendige Dampf eines Arbeitsmediums wird dabei bspw. herkömmlich über einen Dampfspeicher bzw. einen Arbeitsmediumspeicher bereitgestellt. Das verwendete Arbeitsmittel bzw. Arbeitsmedium ist insbesondere Wasser, ein organisches, ein anorganisches oder ein azeotropisches Gemisch.
Hubkolbendampfmaschinen der ein- oder mehrzylindrigen Bauart mit daran angeschlossenen Kreislauf für das Arbeitsmedium sind aus dem Stand der Technik bekannt. Im aus dem Stand der Technik bekannten Betrieb einer Hubkolbendampfmaschine wird der Hubkolben in einem Arbeitszylinder in seiner oberen Totpunktlage (OT) mit unter Druck stehendem, gasförmigem Arbeitsmedium beaufschlagt, wodurch der Arbeitskolben im Arbeitszylinder in Richtung untere Totpunktlage bewegt wird. Diese Phase wird als Expansionsphase der Hubkolbendampfmaschine bezeichnet. Während der Expansionsphase wird das Arbeitsmedium entspannt und liegt, wenn der Arbeitskolben die untere Totpunktlage erreicht hat, bevorzugt mit Umgebungsdruck zumindest teilweise gasförmig im Arbeitszylinder vor. In der unteren Totpunktlage ist das Volumen des Arbeitsraumes des betreffenden Arbeitszylinders am größten.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades wird im Stand der Technik vorgeschlagen, den Druck im Zylinder vor der Expansionsphase zu erhöhen, damit eine größere Kraft auf den Arbeitskolben in der Expansionsphase wirken kann. So schlägt beispielsweise DE 195 28 900 A1 vor, in einen mit überhitztem Wasserdampf arbeitenden Dampfmotor gegen Ende eines Verdichtungstaktes für Frischluft und am Anfang des Arbeitstaktes eine Wassereinspritzung vorzunehmen, damit der überhitzte Wasserdampf das eingespritzte Wasser zusätzlich verdampft und so ein höherer Dampfdruck im Zylinder entsteht.
US 24 40 659 schlägt vor, Wasser mit einer Temperatur von ca. 90° in einen Zylinder einzuspritzen und zu zerstäuben, welches sich anschließend an einer im Zylinderraum angeordneten Wärmequelle weiter erhitzt und dampfförmig wird, wodurch der Kolben der Dampfmaschine mit Dampfdruck beaufschlagt wird.
Auch US 3 192 705 versucht den Druck im Zylinder durch Einspritzen einer flüssigen Phase zum Zeitpunkt der höchsten Verdichtung zu erhöhen. Dabei soll das eingespritzte Fluid bereits eine hohe Temperatur aufweisen.
WO 2007/104087 A1 beschäftigt sich ebenfalls mit einer Möglichkeit, den Dampfdruck im Zylinder vor der Expansionsphase zu erhöhen, wobei sowohl erwärmtes Wasser als auch heiße Luft in den Zylinder geleitet werden, um so einen möglichst hohen Dampfdruck für den Antrieb des Kolbens in der Expansionsphase zu erzeugen.
Durch Massenträgheitskräfte und/oder Expansionskräfte in anderen Arbeitsräumen einer mehrzylindrigen Dampfmaschine wird der Arbeitskolben von der unteren Totpunktlage in Richtung der oberen Totpunktlage zurückbewegt. Diese Phase wird, wenn das Einlass- und das Auslassventilen geschlossen ist, als Kompressionsphase bezeichnet, welche damit endet, dass das Auslassventil zum Ausschieben des Arbeitsmediums geöffnet wird. Während der Kompressionsphase wird bei herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten, Hubkolbendampfmaschinen der Druck im Arbeitsraum wieder erhöht, was der Kolbenbewegung entgegenwirkt. Diese der Kolbenbewegung entgegenwirkenden Kräfte wirken sich wirkungsgraderniedrigend aus, sind aber für das Ausschieben des Arbeitsmediums aus dem Arbeitszylinder notwendig. Ein Ausschieben des Arbeitsmediums aus dem Arbeitszylinder ist nur möglich, wenn im Arbeitszylinder gegenüber dem Auslasskanal bei geöffnetem Auslassventil eine zumindest leichte Druckdifferenz vorliegt, welche das Arbeitsmedium dazu veranlasst, aus dem Arbeitszylinder zu entweichen. Daher wird im Stand der Technik oftmals das Auslassventil bereits beim Erreichen der unteren Totpunktlage des Arbeitskolbens geöffnet, damit Verluste, die aufgrund der Kompression des Arbeitsmediums auftreten, gering gehalten werden. Üblicherweise spricht man hier von der Ausschubphase, in der sich der Arbeitskolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt und gleichzeitig das Einlassventil geschlossen und das Auslassventil geöffnet ist.
Wie oben bereits erläutert muss, damit das Arbeitsmedium aus dem Arbeitszylinder entweichen kann, im Arbeitszylinder ein zumindest geringfügiger Überdruck gegenüber dem Druck im Auslasskanal erzeugt werden. Wenn also, wie im Stand der Technik üblich, während der gesamten Bewegungsphase des Arbeitskolbens von der unteren Totpunktlage bis zur oberen Totpunktlage permanent ein leichter Überdruck im Arbeitszylinder aufgebaut werden muss, so hat dies für den Wirkungsgrad der Hubkolbendampfmaschine negative Auswirkungen.
Aufgabe der Erfindung ist daher eine Hubkolbendampfmaschine und ein Verfahren für deren Betrieb bereitzustellen, welches den Wirkungsgrad einer Hubkolbendampfmaschine im Vergleich zu herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Hubkolbendampfmaschinen verbessert, wobei insbesondere Verluste vermieden werden sollen, die durch die Kompressionsarbeit bei der Kolbenbewegung vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) entstehen. Die erfindungsgemäße Hubkolbendampfmaschine soll dabei robust und einfach in ihrem Aufbau sein, wobei das Verfahren zu deren Betreiben einfach in der Ausführen sein soll. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel und Einrichtungen zur Verfügung zu stellen, die es ermöglichen bestehende Hubkolbendampfmaschinen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auszurüsten und zu betreiben.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit einer Hubkolbenmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Hubkolbendampfmaschine in den vom Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen ausgebildet sind. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe für ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbendampfmaschine wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst, wobei bevorzugte Verfahrensformen in den vom Anspruch 10 abhängigen Ansprüchen abgebildet sind.
Die erfindungsgemäße Hubkolbendampfmaschine umfasst einen Arbeitszylinder mit einem im Arbeitszylinder längsverschieblich aufgenommenen Arbeitskolben. Über zumindest ein Einlassventil ist der Arbeitszylinder mit einem ein- oder mehrkomponentigen, gasförmigen, unter Druck stehenden Arbeitsmedium befüllbar. Über zumindest ein Auslassventil kann das Arbeitsmedium nach Energieabgabe aus dem Arbeitszylinder entfernt werden. Die beiden Ventile, d. h. das Einlass- und das Auslassventil, sind dabei so steuerbar, dass der Arbeitskolben zur Verrichtung von Hubarbeit mit dem gasförmigen, unter Druck stehenden Arbeitsmedium beaufschlagbar ist, wodurch der Arbeitskolben in einer Expansionsphase des Arbeitsmediums Hubarbeit verrichten kann. Hierzu ist das Einlassventil, zum Zeitpunkt, an dem sich der Arbeitskolben im Bereich der oberen Totpunktlage befindet zum Befüllen des Arbeitszylinders geöffnet, wobei gleichzeitig das Auslassventil geschlossen ist. Das Einlassventil ist dabei bevorzugt so lange geöffnet, bis die Menge an unter Druck stehendem Arbeitsmedium in den Arbeitszylinder geströmt ist, sodass nach der Expansionsphase – also wenn sich der Arbeitskolben in der unteren Totpunktlage befindet – der Arbeitsraum/Arbeitszylinder mit drucklosen Arbeitsmedium gefüllt ist. In der unteren Totpunktlage sollten die Drücke im Arbeitszylinder und außerhalb des Arbeitszylinder, welche auf der Arbeitskolben wirken, identisch sein, damit weder Expansionsenergie ungenutzt bleibt, noch Energie für einen Unterdruck im Arbeitszylinder aufgebracht werden muss. In der unteren Totpunktlage liegt dabei eine Mischung aus gasförmigem und flüssigem Arbeitsmedium im Arbeitszylinder vor, da durch eine adiabatische oder nahezu adiabatische Entspannung des eingesetzten, gasförmigen, unter Druck stehenden Arbeitsmittels keine vollständige Kondensation des Arbeitsmittels erreicht werden kann, wie länglich bekannt.
Nach Befüllen des Arbeitsraumes mit gasförmigem, unter Druck stehendem Arbeitsmedium wird das Einlassventil geschlossen und der Arbeitskolben erfährt durch die Druckkraft des unter Druck stehenden, gasförmigen Arbeitsmediums eine Beschleunigungskraft, welche ihn in Richtung unterer Totpunktlage bewegt. Während der Expansionsphase des Arbeitsmediums, also auch nach Schließen des Einlassventils, bleibt das Auslassventil – welches selbstredend während des Befüllens des Arbeitszylinders geschlossen war – weiterhin geschlossen. Das Auslassventil ist derart gesteuert, dass das Auslassventil geöffnet wird, wenn der Arbeitskolbens den unteren Totpunkt durchlaufen hat, sich in einer Kompressionsphase der Hubkolbendampfmaschine befindet und wenn weiter ein vorgebbarer Druckschwellenwert im Arbeitsraum erreicht ist, oder wenn der Arbeitskolben eine gewisse Distanz bzw. Winkel vor der oberen Totpunktlage erreicht hat. Bei geöffnetem Auslassventil kann dann das im Arbeitszylinder vorhandene Arbeitsmedium aus dem Arbeitszylinder durch den sich in Richtung oberer Totpunktlage bewegenden Arbeitskolben ausgebracht werden.
Die Hubkolbendampfmaschine weist erfindungsgemäß darüberhinaus Sprühvorrichtungen zum Einsprühen von aerosolem Kondensat in den Arbeitszylinder während der Kompressionsphase auf. Die Kompressionsphase einer Kolbendampfmaschine ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass sich der Hubkolben/Arbeitskolben von der unteren Totpunktlage in Richtung der oberen Totpunktlage bewegt, wobei sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil geschlossen sind. In dieser Kompressionsphase wird durch den sich bewegenden Kolben das Arbeitsvolumen im Arbeitszylinder stetig verkleinert, was zu einer Kompression des im Arbeitszylinder befindlichen Arbeitsmediums führen würde, wenn dessen Volumen oder Menge im Arbeitszylinder nicht abnimmt. Die Menge an Arbeitsmedium könnte durch Öffnen des Auslassventils reduziert werden, was aber zu dem in Stand der Technik auftretenden Nachteilen führt. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von zumindest einer Sprühvorrichtung zum aerosolen Einsprühen von Kondensat des eingesetzten Arbeitsmedium in den Arbeitszylinder wird erreicht, dass das im unteren Totpunkt des Arbeitskolbens im Arbeitszylinder noch vorhandene gasförmige Arbeitsmediums zumindest teilweise ebenfalls verflüssig wird, wodurch es weniger Volumen einnimmt, und so zumindest ein Überdruck im Arbeitszylinder während der Kompressionsphase vermieden wird. Das aerosole Kondensat des Arbeitsmediums ist dabei bevorzugt ein aus feinsten Tröpfchen gebildeter Kondensatnebel unterhalb der Verdampfungstemperatur des eingesetzten Arbeitsmediums oder zumindest einer Komponente hiervon. Dieser aerosole Nebel aus zumindest einer Komponente des Arbeitsmediums wird dabei bevorzugt durch Vernebelungsdüsen in den Arbeitszylinder eingebracht.
Während der Kompressionsphase treffen innerhalb des Arbeitszylinders feinste Kondensattröpfchen unterhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums auf gasförmiges Arbeitsmedium aus dem Arbeitstakt mit einer Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur, wodurch es zu einem neuen Gleichgewichtszustand zwischen den beiden, in verschiedenen Aggregatzuständen vorliegenden Mengen an Arbeitsmedium kommt. Dabei ist leicht nachvollziehbar, dass das Kondensat bevorzugt mit einer niedrigen Temperatur und feinst verteilt in den Arbeitszylinder eingebracht wird, damit möglichst viel im Arbeitszylinder vorhandenes gasförmige Arbeitsmedium in die flüssige Phase übertreten kann.
Im bevorzugten Fall wird durch das aerosole Einsprühen von Kondensat des Arbeitsmediums, bzw. zumindest einer Komponente davon, während der Kompressionsphase der Hubkolbendampfmaschine ein Unterdruck im Arbeitszylinder erzeugt, welcher den Arbeitskolben bei seiner Bewegung von der unteren Totpunktlage zur oberen Totpunktlage zusätzlich unterstützt. Diese Unterstützung der Bewegung des Arbeitskolbens von der unteren Totpunktlage zur oberen Totpunktlage wird dann durch einen Unterdruck bewerkstelligt, der durch das Verflüssigen des gasförmigen Arbeitsmediums im Arbeitszylinder durch das aerosole Einsprühen des Kondensats des Arbeitsmediums erzeugt wird. Selbst wenn kein Unterdruck im Arbeitszylinder durch den erzwungenen Aggregatsübertritt von gasförmig zu flüssig des im Arbeitszylinder vorliegenden gasförmigen Arbeitsmediums erreicht wird, sondern nur ein Konstanthalten der Druckausgeglichenheit zwischen Aussendruck und Innendruck des Arbeitszylinders, so ist eine Verbesserung gegenüber den aus dem Standes der Technik bekannten Hubkolbendampfmaschinen erreicht, da eine Kompressionsarbeit durch den Hubkolben vermieden wird.
Hubkolbendampfmaschinen des Standes der Technik zeigen, wie oben bereits erläutert, während der Bewegungsphase des Arbeitskolbens von der unteren Totpunktlage (UT) zur oberen Totpunktlage (OT) einen leicht erhöhten Druck im Arbeitszylinder, damit das expandierte Arbeitsmedium über das geöffnete Auslassventil aus dem Arbeitszylinder entweichen kann. Erfindungsgemäß wird jedoch bevorzugt ein Unterdruck während der „Kompressionsphase” erzeugt, damit die Rückbewegung des Arbeitskolbens von UT nach OT durch diesen Unterdruck unterstützt wird. Durch Vermeidung einer Kompressionsarbeit und/oder einem Aufbringen einer (weiteren) externen Kolbenrückführkraft während der Kompressionsphase der Hubkolbendampfmaschine wird der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Hubkolbendampfmaschinen verbessert. Für den Fachmann ist dabei leicht nachvollziehbar, dass der durch die Erfindung erzeugbare Unterdruck im Arbeitszylinder umso stärker ist, je niedriger die Temperatur des eingenebelten Kondensats ist, je feiner die Kondensattröpfchen sind und je besser die Kondensattröpfchen verteilt werden können.
Die Wirkungsgradverbesserung gegenüber Hubkolbendampfmaschinen aus dem Stand der Technik wird noch durch einen weiteren zweiten Effekt zusätzlich bewirkt. Mit dem Einspritzen von feinst verteiltem vernebelten Kondensat mit einer Temperatur unter der Verdampfungstemperatur des Kondensats in den Arbeitszylinder wird eine Abkühlung des im Arbeitszylinders vorhandenen Arbeitsmediums erreicht, wodurch dieses nach dem Entweichen aus dem Arbeitszylinder zu seiner weiteren vollständigen Verflüssigung (Kondensierung) weniger stark abgekühlt werden muss.
Wie dem einschlägigen Fachmann bekannt ist, muss bei einem Kreislauf, wie er auch für die erfindungsgemäße Hubkolbendampfmaschine verwendet wird, das aus dem Arbeitszylinder austretende Arbeitsmedium zunächst meist bei Umgebungsdruck verflüssigt werden, dann das flüssige Arbeitsmedium unter Druck gesetzt werden und das unter Druck gesetzte flüssige Arbeitsmediums verdampft werden, bevor es im dampfförmigen/gasförmigen Zustand wieder in den Arbeitszylinder einer Hubkolbendampfmaschine einleitbar ist. Der diesem Dampfkreislauf zugrundeliegenden Prozess geht dabei auf seinen Entdecker Clausius-Rankine zurück, welcher – zumindest in einer rein theoretischen Betrachtungsweise – einen maximal erreichbaren Wirkungsgrad darstellt. Auch für eine Hubkolbendampfmaschine gemäß der Erfindung mit einem Arbeitsmittel-Kreislauf ist der Clausius-Rankine-Prozess maßgebend. Speziell die Druckerhöhung des Arbeitsmediums im flüssigen Zustand und die nachfolgende Erwärmung des Arbeitsmediums, bis hin zum gasförmigen Zustand erlaubt eine maximale Energiespeicherung im Arbeitsmedium, welche durch Temperaturabgabe und Expansion auf einen Hubkolben jedoch nur teilweise übertragbar ist, da das Arbeitsmedium durch rasche – im Idealfall adiabatische – Expansion nicht direkt vom gasförmigen in den vollständig flüssigem Aggregatzustand überführt werden kann. Das bedeutet, dass nach der Expansion des Arbeitsmediums, also wenn sich der Arbeitskolben an der unteren Totpunktlage der Hubkolbendampfmaschine befindet, im Arbeitszylinder sowohl gasförmiges als auch flüssiges Arbeitsmedium vorhanden ist. Die Erfindung macht sich den Effekt zunutze, dass das Arbeitsmedium gasförmig ein größeres Volumen einnimmt als im flüssigen Zustand. Die Erfindung erreicht durch ein vernebeltes/aerosoles Einsprühen von kondensiertem Arbeitsmedium, welches eine Temperatur unter der jeweiligen Verdampfungstemperatur aufweist, dass das im Arbeitszylinder gasförmig vorliegende Arbeitmedium, welches meist eine über der Verdampfungstemperatur liegende Temperatur aufweist, zumindest teilweise verflüssigt wird. Dadurch tritt eine Volumen- und Temperaturreduzierung ein, die den Druck im Arbeitszylinder reduziert, wodurch der Arbeitskolben in Richtung der oberen Totpunktlage beschleunigt wird.
Die erfindungsgemäß hierfür verwendeten Vernebelungsdüsen sind bevorzugt an mehreren Stellen am Arbeitszylinder angeordnet. Beispielsweise können die Vernebelungsdüsen am Umfang des Arbeitszylinders angeordnet sein, damit in Umfangsrichtung eine gleichmäßige aerosole Einbringung zumindest einer Komponente des Arbeitsmediums als Kondensat möglich ist. Weiter bevorzugt sind die Sprühvorrichtungen nicht nur gleichmäßig in Umfangsrichtung des Arbeitszylinders verteilt, sondern auch gleichmäßig in Hubrichtung entlang des Arbeitszylinders. Hierbei ist eine sequentielle, von der Kolbenstellung abhängige Betätigung der Sprühvorrichtungen möglich.
Weiter bevorzugt kann für eine gleichmäßige Verteilung oder auch zur lokalen Einbringung von aerosolem Kondensat eine oder mehr Sprühdüsen in der Arbeitszylinderkopffläche angeordnet sein. Damit kann, bspw. bis kurz von der oberen Totpunktlage des Arbeitskolbens, aerosoles Kondensat in den Arbeitszylinder eingebracht werden. Gleiches kann mit einer bspw. in der Arbeitskolbengrundfläche angeordneten Sprühvorrichtung erreicht werden, welche bspw. über die gesamte Hubbewegung des Arbeitskolbens aerosoles Kondensat in den Arbeitszylinder einbringen kann.
Wie viel und an welchen Stellen Sprühvorrichtungen zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens am Arbeitszylinder bzw. am Arbeitskolben einer Hubkolbendampfmaschine eingebracht werden, hängt von mehreren Parametern ab, wie bspw. dem vorhandenen Bauraum (bei bestehenden Hubkolbenmaschinen), dem verwendeten Arbeitsmedium, dem Hubvolumen, insbesondere dem Hubweg, und dem erreichbaren Aufwand-Nutzen-Verhältnis von Bewegungsenergiegewinn am Hubkolben und dem Aufwand zur Bereitstellung aerosolem (gekühltem) Kondensat. Es wird daher im Einzelfall zu prüfen sein, mit welcher Temperatur das aerosole Kondensat in den Arbeitszylinder eingebracht wird, und welche Menge hiervon notwendig ist, damit ein optimales Aufwand-Nutzen-Verhältnis und somit ein optimaler Wirkungsgrad für eine Hubkolbendampfmaschine mit erfindungsgemäßer Anordnung von Sprühvorrichtungen erreicht werden kann. Ein stark abgekühltes Kondensat kann potenziell einen hohen Unterdruck erzeugen. Jedoch ist der Aufwand für ein stark abgekühltes Kondensat hoch. Es muss hier also abgewogen werden, inwieweit man das Kondensat heruntergekühlt, damit ein entsprechender Nutzen an Bewegungsenergie erreicht wird. Analog wird man sich über die Menge des einzuspritzenden aerosolen Kondensats ähnliche Gedanken machen müssen. Eine hohe Menge an eingesprühtem Kondensat bedeutet eine hohe Masse, die vom Arbeitskolben bewegt werden muss. Eine optimale Temperatur und auch die optimale Menge an einzusprühendem aerosolen Kondensat ist jedoch durch Berechnung und/oder entsprechende Versuche für jede Hubkolbendampfmaschine vom Fachmann leicht bestimmbar.
Eine weitere wichtige Rolle der gesamtheitlichen Energiebetrachtung der Hubkolbendampfmaschine in einem Arbeitsmittelkreislauf mit erfindungsgemäßer innerer Kühlung besteht darin, den Druck, mit dem das Kondensat in den Arbeitszylinder eingebracht werden soll, zu bestimmen. Hierbei kann bspw. der Druck verwendet werden, mit dem das verflüssigte Arbeitsmedium unter Druck gesetzt wird, bevor dieses Arbeitsmedium verdampft wird. So kann bspw. von dem flüssigen, mit Druck beaufschlagtem Arbeitsmedium die für das Einsprühen als aerosoles Kondensat benötigte Menge mittels einer Leitung zu den Vernebelungsdüsen abgezweigt werden. Dies wird man bevorzugt dann ausführen, wenn man keine weitere Pumpe für das Einsprühen des Kondensats in dem Arbeitszylinder verwenden möchte. Gegebenenfalls wird man zwischen dem unter Druck gesetzten, flüssigen Arbeitsmedium und den Sprühvorrichtungen zum Einsprühen des aerosolen Kondensats in den Arbeitszylinder eine Vorrichtung vorsehen, welche die Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums/Kondensats, bzw. einer Komponente davon, herabsetzt. Die dem flüssigen Arbeitsmedium/dem Kondensat hierbei entnommene Wärmeenergie kann anderweitig bspw. zur Vorwärmung von Verbrennungsluft eingesetzt werden.
Die zur Verwirklichung der Erfindung eingesetzte Hubkolbendampfmaschine ist bevorzugt eine Hubkolbendampfmaschine, welche keinen Schadraum aufweist. Schadraumlose Hubkolbendampfmaschinen zeichnen sich dadurch aus, dass bei einer Arbeitskolbenstellung am oberen Totpunkt kein Arbeitsraum zwischen der Arbeitszylinderkopffläche und dem Arbeitskolben verbleibt. Im Idealfalle berühren sich am OT die Hubkolbengrundfläche und die Arbeitzylinderkopffläche. Aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen des Arbeitszylinders und des Hubkolbens mit daran angebrachten Kurbeltrieb kann zur Vermeidung von Kollisionen im kalten Betriebszustand ein Schadraumvolumen vorgesehen sein, das kleiner 5%, bevorzugt kleiner 2% und besonders bevorzugt kleiner 0,5% des Hubvolumens ist. Eine derartige Auslegung der Hubkolbendampfmaschine ohne Schadraum bzw. mit einem sehr geringen Schadraum von besonders bevorzugt kleiner als 0,5% ist nur realisierbar, wenn die Einlass- und Auslassventile von außen auf dem Arbeitszylinder abdichten und konsequenterweise auch nach Außen öffnen. Eine hierfür geeignete Ventilanordnung mit entsprechendem Ventiltrieb ist beispielsweise in DE 10 2011 078 556 beschrieben und soll hier nicht weiter ausgeführt werden.
Für die erfindungsgemäße Ausstattung einer Hubkolbendampfmaschine mit Sprühvorrichtungen heißt das, dass die Sprühvorrichtungen nicht über die Arbeitszylinderinnenwand in den Arbeitsraum hineinragen dürfen, was für Sprühdüsen, die entlang der Mantelfläche des Arbeitszylinders angeordnet sind, selbstredend ist. Jedoch ist für Sprühvorrichtungen, für eine schadraumlose Hubkolbendampfmaschine darauf zu achten, dass die Sprühvorrichtungen welche in der Arbeitszylinderkopffläche oder im Arbeitskolben angeordnet sind, nicht in den Arbeitsraum hineinragen, damit im oberen Totpunkt nicht mit dem Arbeitskolben bzw. dem Arbeitszylinder kollidieren können.
Das erfindungsgemäße Ausstatten von Dampfkolbenmaschinen mit Sprühvorrichtungen, die aerosoles Kondensat vernebelt in den Arbeitszylinder einbringen können, wird bevorzugt bei Dampfmaschinen angewendet, die keinen Schadraum in der oberen Totpunktlage des Arbeitskolbens der Dampfkolbenmaschine zeigen. Das Einnebeln feinster Tröpfchen von kondensiertem Arbeitsmedium während einer Kompressionsphase der Hubkolbendampfmaschine erzeugt zusätzliches Kondensat im Arbeitszylinder, welches durch den Arbeitskolben ausgeschoben werden muss. Weist eine Hubkolbendampfmaschine ein Schadraumvolumen auf, so läuft die Hubkolbendampfmaschinen Gefahr, dass das Schadraumvolumen mit Kondensat vollläuft, welches im nächsten Arbeitstakt im Arbeitszylinder verbleibt und so eine zusätzliche Masse darstellt, die durch den Arbeitskolben bewegt werden muss. Dies hätte zwangsläufig eine Wirkungsgradverschlechterung zur Folge. Daher muss bei Einsatz der Sprühvorrichtungen gemäß der Erfindung darauf geachtet werden, dass nahezu bevorzugt sämtliches Kondensat aus dem Arbeitsraum/Arbeitszylinder der Hubkolbendampfmaschine entfernbar ist, damit dieses Kondensat nicht die Beweglichkeit des Arbeitskolbens behindert. Im Extremfall kann es durch Kondensat im Arbeitszylinder zu Wasserschlag- bzw. Flüssigkeitsschlag kommen, wenn das nicht vollständig aus dem Arbeitszylinder entfernte Kondensat vom Arbeitskolben gegen die Arbeitszylinderkopffläche gedrückt wird. In diesem Falle kann es zu Beschädigungen an der Hubkolbendampfmaschine, insbesondere am Ventiltrieb oder an den Sprühvorrichtungen, kommen. Zur Vermeidung einer derartigen Beschädigung durch Flüssigkeits- oder Wasserschlag kann beispielsweise die Arbeitszylinderachse und somit auch die Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens einige Winkelgrade aus der Vertikalen ausgelenkt werden, so dass sich Kondensat auf der Auslassseite bzw. unterhalb dem Auslassventil sammelt und dieses bei Erreichen des oberen Totpunkts des Arbeitskolbens vom Arbeitskolben ausgeschoben wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin die Längsachse des Arbeitszylinders und damit auch die Arbeitsrichtung des Hubkolbens horizontal auszulegen und das Auslassventil so am Arbeitszylinder anzuordnen, dass bei geöffnetem Auslassventil der tiefste Punkt im Arbeitszylinder offen ist, damit das Kondensat austreten kann.
Die zuletzt beschriebene Alternative wird besonders dann bevorzugt sein, wenn die Hubkolbendampfmaschine, in der die erfindungsgemäße Ausstattung mit Sprühvorrichtungen Anwendung finden soll, ein Schadraumvolumen aufweist, was sich beispielsweise wegen eines nach innen öffnenden Ventiltriebs nicht verringern lässt. Selbstredend können auch alle anderen Ausrichtungen von Arbeitszylindern für die erfindungsgemäße Ausstattung mit Vernebelungsdüsen Anwendung finden. Wichtig ist im Zusammenhang mit der Erfindung nur, dass das einerseits durch die Expansion des Arbeitsmediums entstehenden Kondensat und das durch die Sprühvorrichtung in den Arbeitszylinder eingebrachte Kondensat am oberen Totpunkt des Arbeitskolbens nahezu bevorzugt vollständig aus dem Arbeitszylinder wieder ausbringbar ist.
Die bevorzugte Ausrichtung der Längsachse des Arbeitszylinders in horizontaler Lage begünstigt die vollständige Kondensatentfernung je Arbeitstakt aus dem Arbeitszylinder, wodurch hiermit auf einfache und robuste Weise ein hoher Wirkungsgrad einer Hubkolbendampfmaschine mit erfindungsgemäßer Ausstattung mit Sprühvorrichtungen erzielt werden kann. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades kann weiterhin erfolgen, in dem der Temperaturunterschied zwischen dem gasförmigen Arbeitsmedium und dem eingesprühten Kondensat möglichst groß ist. Bei diesen Verhältnissen wird nicht nur ein maximal erzielbarer Unterdruck in der Kompresionsphase erreicht, sondern auch eine größtmögliche Abkühlung des Arbeitsmediums im Arbeitszylinder, was dessen vollständige anschließende Verflüssigung begünstigt. Zum Erreichen eines möglichst hohen Temperaturgefälles zwischen eingesprühtem Kondensat und im Arbeitszylinder vorhandenen Arbeitsmedium kann einerseits das Kondensat heruntergekühlt werden und/oder der Arbeitszylinder thermisch isoliert werden, damit die Expansionsphase möglichst adiabatisch erfolgen kann, und so wenig Energie wie möglich an die Umgebung abgegeben Wird.
Im Betrieb einer erfindungsgemäßen Hubkolbendampfmaschine mit Sprühvorrichtungen zum aerosolen Einbringen zumindest einer Komponente des Arbeitsmediums als Kondensat wird im Bereich der oberen Totpunktlage, also etwa im Bereich von –5 Grad vor und +10 Grad nach der oberen Totpunktlage, der Einlass in den Arbeitszylinder geöffnet, wodurch gasförmiges, unter Druck stehendes, ein- oder mehrkomponentiges Arbeitsmedium in den Arbeitszylinder einströmen kann. Fachüblich spricht man von der oberen Totpunktlage, wenn sich der Arbeitskolben an seiner höchsten Stelle im Arbeitszylinder befindet, d. h. wenn der Abstand zwischen der Kolbenoberfläche und der Arbeitszylinderkopffläche minimal ist. Für das Öffnen des Einlasses eines Arbeitszylinders können dabei ein oder mehrere Einlassventile Anwendung finden, die über fachübliche Ventiltriebe steuerbar sind.
Das Öffnen des Einlass für einen Arbeitszylinder, d. h. das Öffnen des Einlassventils oder der Einlassventile vor OT kann dann sinnvoll sein, wenn ein Ventil bzw. ein Ventiltrieb verwendet wird, der den Einlassquerschnitt nur allmählich freigibt, so dass erst bei Erreichen des OTs durch den Arbeitskolben der Einlassquerschnitt vollständig geöffnet ist und so das unter Druck stehende gasförmige Arbeitsmedium in den Arbeitszylinder zur Verrichtung von Hubarbeit einströmen kann. Verständlicherweise wird man den Beginn des Öffnens des Einlasses für den Arbeitszylinder so wählen, dass die eingeströmte Menge an Arbeitsmedium die Bewegung des Arbeitskolbens, insbesondere vor OT, nicht beeinträchtigt bzw. verlangsamt. Dies würde zu einer Herabsetzung des Wirkungsgrades führen, da der Arbeitskolben in seiner Bewegung verlangsamt wird. Wird der Einlass für den Arbeitszylinder jedoch zu spät, also weit nach OT, geöffnet, so durchläuft der Arbeitskolben eine Wegstrecke ohne Druckbeaufschlagung, wodurch die Effektivität der Hubkolbendampfmaschine ebenfalls negativ beeinflusst wird, da dieser „Freilauf” des Arbeitskolbens zur Bereitstellung mechanischer Arbeit nicht ausgenutzt wird.
Je nach Größe des Arbeitsraumes – d. h. der Raum, der durch die obere Totpunktlage und die untere Totpunktlage des Arbeitskolbens zusammen mit dem Durchmesser des Arbeitszylinders definiert ist – bestimmt sich, unter Berücksichtigung des Drucks und der Temperatur des eingesetzten Arbeitsmediums, der Zeitpunkt des Schließens des Einlasses für das Arbeitsmedium in den Arbeitszylinder. Die optimale Menge an Arbeitsmedium bestimmt sich dabei dadurch, dass im Arbeitszylinder bei Erreichen des unteren Totpunktes durch den Arbeitskolben der Druck im Arbeitszylinder in etwa dem Druck der Umgebung, d. h. außerhalb des Kolbenbodens erreicht ist. In diesem Falle hat das Arbeitsmedium seine vollständige Expansionsarbeit an den Arbeitskolben abgegeben und kann nicht weiter ohne Zuführen von Arbeit expandiert werden. Im Regelfall wird man daher den Druck im Arbeitszylinder so berechnen, dass nach Ende der Expansionsphase, d. h. wenn der Arbeitskolben am unteren Totpunkt ist, dieser dem Außendruck des Arbeitskolbens entspricht oder gegebenenfalls leicht darüber liegt. Reicht die dem Arbeitszylinder eingebrachte Menge an unter Druck stehendem, gasförmigen Arbeitsmedium nicht aus, damit diese Bedingungen erfüllt werden, und erreicht der Druck im Arbeitszylinder schon vor dem Erreichen des unteren Totpunkts des Arbeitskolbens den Umgebungsdruck, wird der Druck durch Weiterbewegung des Arbeitskolbens bis zum unteren Totpunkt weiter abgesenkt.
D. h. bei einer zu geringen Menge an eingeströmtem unter Druck stehendem, gasförmigem Arbeitsmedium kommt es dann zu einem Unterdruck im Arbeitszylinder, der durch die Weiterbewegung des Arbeitskolbens bis zum Erreichen des UT durch mechanische Arbeit aufgebracht werden muss. Diese aufgebrachte mechanische Arbeit verringert den Wirkungsgrad der Hubkolbendampfmaschine und sollte vermieden werden. Hierzu ist es also bevorzugt die Menge an eingeströmtem Arbeitsmedium so zu bemessen, dass der Druck im Arbeitszylinder bei Erreichen des unteren Totpunkts des Arbeitskolbens dem Außendruck auf den Arbeitskolben entspricht – welcher nicht unbedingt Umgebungsdruck sein muss – oder leicht das über liegt, da hier die aufzubringende mechanische Arbeit für die Erzeugung des Unterdrucks vermieden wird.
Zwar bedeutet ein „Zuviel” an Arbeitsmedium nicht ausgenutzte Energie. Jedoch wirkt diese dem Betriebsverhalten der Hubkolbendampfmaschine nicht entgegen. Durch das erfindungsgemäße Einsprühen von aerosolem Kondensat kann dies ausgeglichen werden. Liegt am unteren Totpunkt noch nicht expandiertes Arbeitsmedium vor, so würde dies die aufzubringende mechanische Arbeit in der sich daran anschließenden Kompressionsphase erhöhen, da ja bereits ein Druckniveau überhalb des Druckes, welcher von außen auf den Arbeitskolben wirkt, vorhanden ist. Mit zunehmender Bewegung des Arbeitskolbens vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt stiege, wenn keine weiteren Maßnahmen ergriffen werden, der Druck im Arbeitszylinder weiter an. Genau hier greift das erfindungsgemäße Einbringen von aerosolem Kondensat in den Arbeitszylinder in bevorzugt feinstverteilten, vernebelten Zustand wirkungsgradverbessernd ein. Durch das Einbringen von feinstverteilten Tröpfchen an Kondensat des verwendeten Arbeitsmediums, oder zumindest einer Komponente dieses Mediums, wird erreicht, dass das gasförmige gegebenenfalls noch unter Druck stehende Arbeitsmedium ebenfalls kondensiert wird. Dadurch kommt es zu einer Volumenabnahme des eingesetzten Arbeitsmediums. Selbstredend sinkt mit einer Volumenabnahme auch der Druck im Arbeitszylinder, wodurch eventuelle überschüssige Mengen an eingesetztem Arbeitsmedium durch verstärktes aerosoles Einbringen von Kondensat kompensiert werden können. Bevorzugt wird man jedoch, was dem Optimalfall entspricht, die Menge an eingesetzten/eingeströmten Arbeitsmedium bei OT, so bemessen, dass bei unterer Totpunktlage des Arbeitskolbens der Druck im Arbeitszylinder dem Außendruck auf den Kolben entspricht und so eine Kompensierung überschüssigen Arbeitsmediums nicht notwendig ist.
Wie bereits oben angedeutet, liegt bei Erreichen der unteren Totpunktlage des Arbeitskolbens im Arbeitszylinder eine Mischung aus gasförmigem und kondensiertem Arbeitsmedium bei geringen Druck vor – im Optimalfall dem Außendruck auf den Arbeitskolben entsprechend –. Mittels entsprechender Dampfkurven können die Mengen und Temperatur an gasförmigen und flüssigen Bestandteile des eingesetzten Arbeitsmittels bestimmt werden. Das noch gasförmig vorhandene Arbeitsmedium muss nun, wie bereits durch Clausius Rankine beschrieben, erneuter Einleitung als Arbeitsmedium in den Arbeitszylinder vollständig verflüssigt werden, wozu das aerosole Einbringen des Kondensates unterstützend wirkt. Um an die optimalen Bedingungen, wie sie durch den Clausius Rankine Prozess beschrieben sind, heranzukommen, ist Voraussetzung, dass die Druckerhöhung auf das Arbeitsmedium im flüssigen Zustand erfolgt, was wiederum voraussetzt, dass nach der Abgabe mechanischer Arbeit das Arbeitsmedium möglichst viel Kondensat vorliegen sollte. Sprüht man nun, wie erfindungsgemäß vorgesehen, Kondensat mit einer Temperatur unter der Verdampfungstemperatur in den Arbeitszylinder/Arbeitsraum ein, so wird das im Arbeitszylinder vor dem Einsprühen vorhandene Gleichgewicht aus Dampf und Kondensat verändert, wodurch eine neue Gleichgewichtslage zwischen gasförmigen Arbeitsmedium und Kondensat gemäß der neuen energetischen Verhältnisse eingestellt wird. Inwieweit sich das Gleichgewicht in Richtung Kondensat verschiebt, kann dabei wiederum den entsprechenden Dampftabellen entnommen werden, wobei die Volumenabnahme – durch die Umwandlung von gasförmigen Arbeitsmedium in Kondensat – und die gleichzeitige Temperaturreduzierung bewirken, dass der Arbeitskolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt durch mechanische Arbeit unterdruck-kraftbeaufschlagt zurückgeführt wird. Gegenüber Hubkolbendampfmaschinen wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird die zur Kolbenrückführung erforderliche Kraft also nicht nur reduziert, sondern darüber hinaus Bewegungsenergie gewonnen.
Zum Erreichen einer möglichst hohen Umwandlung von gasförmigem Arbeitsmedium in ein Kondensat, wobei ein Erreichen eines Unterdrucks durchaus erwünscht ist, wird man das Einsprühen möglichst vollständig verteilt entlang der Mantelfläche oder/und der Arbeitszylinderkopffläche vornehmen. Dabei können Sprühvorrichtungen zum Einsatz kommen, die gleichzeitig das Kondensat zumindest einer Komponente des Arbeitsmediums in etwa gleichzeitig in den Arbeitsraum einbringen, oder die sequentiell sprühen, um über einen längeren Zeitraum der Kolbenbewegung zwischen unteren Totpunkt in Richtung oberen Totpunkt eine gleichmäßig beeinflusste Volumenabnahme des Arbeitsmediums durch das eingebrachte aerosole Kondensat vorzunehmen. Im einem einfachen Fall ist auch eine Berieselung des Arbeitszylinders durch eine Sprühvorrichtung, welche in der Arbeitszylinderkopffläche angeordnet ist denkbar. Technisch möglich und somit auch vorstellbar, ist die Einbringung von Sprühvorrichtungen, insbesondere Vernebelungsdüsen, in den Arbeitskolben. Diese können dann zusammen mit dem Arbeitskolben bewegt werden. Jedoch ist bei dieser Lösung zu beachten, dass die Sprühvorrichtungen die bewegte Masse erhöhen können, was sich negativ auf den Wirkungsgrad der Hubkolbendampfmaschine auswirken würde. Jedoch ist dies, abhängig von den eingesetzten Materialien, Temperaturen und Drücken so gering, dass hier – gegebenenfalls mit Leichtbauweise des Kolbens – eine einfache Möglichkeit geschaffen wird die erfindungsgemäße Wirkungsgraderhöhung an einer bestehenden oder neu zu entwickelnden Hubkolbendampfmaschine zu erreichen.
Die Kombination des Einsatzes von am Umfang der Arbeitszylindermantelfläche und/oder an der Arbeitszylinderkopffläche und/oder im Arbeitskolben verteilten Vernebelungsdüsen hängt dabei von den Rahmenbedingungen ab, bei der die Hubkolbendampfmaschine betrieben werden soll. Genauso wie deren Anordnung ist auch die Einbringzeit und der Einbringzeitpunkt für aerosoles Kondensat von den Rahmenbedingungen bzw. den vorliegenden Druck- und Temperaturbedingungen im Arbeitszylinder, bezogen auf die Arbeitskolbenstellung, abhängig, wodurch alle möglichen parallelen, sequentiellen oder intermittierenden Abläufe für die Einbringung von aersolem Kondensat in den Arbeitszylinder vorstellbar sind. Bevorzugt wird dabei das aerosole Kondensat feinstverteilt in den Arbeitszylinder eingebracht, wodurch eine schnelle Veränderung des gasförmigen Arbeitsmediums im Arbeitszylinder zu Kondensat erreicht wird.
Das Einbringen von aerosolem Kondensat während der Zeit, in der der Arbeitskolben vom unteren Totpunkt in Richtung oberen Totpunkt bewegt wird, also während der „Kompressionsphase”, ist mengenmäßig und/oder zeitlich abhängig vom Einsprühdruck zu kalkulieren. Die während des Einsprühens in den Arbeitszylinder eingebrachte Menge an aerosolem Kondensat des Arbeitsmediums muss in einer Ausschiebphase, in der der Auslass des Arbeitszylinders geöffnet und der Einlass geschlossen ist, zusammen mit dem gasförmigen und flüssigen Arbeitsmedium ausschiebbar sein. Gleichzeitig erhöht das eingenebelte Kondensat die zu bewegende Masse im Arbeitszylinder und wird daher auch unter diesen Gesichtspunkten zu beschränken sein.
Im Idealfalle wird der Auslass kurz vor Erreichen der oberen Totpunktlage des Arbeitskolbens geöffnet und der Arbeitszylinderinhalt, der im verbleibenden Arbeitsraum vorhanden ist, so schnell als möglich ausgeschoben. In der Praxis speziell bei Verwendung von Hubkolbendampfmaschinen, die keinen Schadraum aufweisen, wird man den Auslass, welcher im einfachsten Fall aus einem Auslassventil besteht, im Bereich zwischen 10 Grad vor und 5 Grad nach der oberen Totpunktlage öffnen, um ein Ausschieben der im Arbeitszylinder vorliegenden Mengen an gasförmigen und kondensiertem Arbeitsmedium zu gewährleisten. Basierend auf den Überlegungen eines schnellen Ausbringens des Arbeitsmediums, ob gasförmig oder kondensiert, wird man das Einsprühen von aerosolem Kondensat vor dem Öffnen des Auslasses stoppen, damit der Kolben auf seinem Restweg zum oberen Totpunkt einen (leichten) Überdruck erzeugen kann (verbleibende Kompressionsphase). Dadurch kann der Arbeitszylinderinhalt bei Öffnen des Auslasses schnell ausgeschoben werden. Durch ein schnelles Ausstoßen kann die Öffnungszeit des Auslassventils reduziert und die erfindungsgemäß erreichte Unterdruckphase verlängert werden. Auch wenn der Überdruck zum schnellen Ausschieben mechanische Energie des Arbeitskolbens verbraucht und diesen tendenziell abbremst, so ist das Verlängern der Unterdruckphase, d. h. der Phase in der aerosoles Kondensat eingesprüht wird, und gasförmiges Arbeitsmedium in Kondensat umwandelt wird, energetisch günstiger, was den Verlust an mechanischer und/oder kinetischer Energie mehr als ausgleicht. Auch hier wird man die optimalen Betriebsparameter leicht durch entsprechende Versuche bzw. durch teilweises Verändern der Betriebseinstellungen schnell bestimmen können.
Eine einfache Steuerung des Auslassventiles kann beispielsweise mit einem Auslassventil erfolgen, das als Rückschlagventil ausgebildet ist und das bei einem bestimmten Druck öffnet, so dass hier eine aufwändige Mechanik zum Öffnen und Schließen des Auslassventiles vermieden werden kann. Je nach Auslegung eines solchen Auslassventiles, ob nun als Rückschlagventil oder als mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch betätigtes Ventil, kann der Öffnungszeitpunkt für den Auslass auch deutlich vor 10 Grad vor oberer Totpunktlage sein.
Je nachdem, wie viel aerosoles Kondensat in den Arbeitszylinder eingebracht wird und wann die Konstanthaltung des Drucks im Arbeitszylinder bzw. der Unterdruck im Arbeitszylinder abgebaut wird und in einen Überdruck umschlägt, welcher der Bewegung des Kolbens entgegenwirkt, wird man den Öffnungszeitpunkt des Auslassventils festlegen. Je höher der im Arbeitszylinder aufgebaute Druck bei geschlossenen Ventilen wird, desto stärker wirkt er der Bewegung des Kolbens entgegen, und umso stärker wird dieser abgebremst. Das bedeutet, dass man auf Basis der berechneten bzw. durch Versuche bestimmten Menge an aerosolen Kondensat, welches in den Arbeitszylinder eingebracht wird, die Öffnungszeiten des Auslass- bzw. der Auslassventile bestimmen kann, damit dem Arbeitskolben möglichst wenig kinetische Energie entzogen wird. Mit anderen Worten wird sich für jede Hubkolbendampfmaschine je nach Verhältnis des Hubvolumens und der verwendeten Temperaturen und Drücke sowie des verwendeten Arbeitsmediums ein anderes optimales Betriebsverhalten bzw. andere Steuerzeiten der Auslass- und Einlassventile ergeben.
Damit der nach dem Ausschieben von gasförmigem und kondensiertem Arbeitsmedium entleerte Arbeitszylinder, welcher bevorzugt keinen Schadraum bzw. Totraum aufweist, wieder mit frischem unter Druck gesetztem, gasförmigem Arbeitsmedium befüllbar ist, muss das Auslassventil, bevorzugt vor dem Öffnen des Einlasses, geschlossen werden. Dies wird bevorzugt in einem Bereich zwischen 10 Grad vor und 5 Grad nach der oberen Totpunktlage des Arbeitskolbens erfolgen, wobei auch hier andere Ventilschließzeiten für den Auslass denkbar sind. Auch ein Überschneiden der Öffnung für den Einlass und dem Schließen des Auslasses ist dabei denkbar, um Ventilverfahrzeiten parallel zu schalten, was speziell für Ventile wichtig ist, welche den Öffnungsquerschnitt nicht abrupt freigeben. So kann beispielsweise während des Schließens des Auslasses das Einlassventil – währenddessen der Öffnungsquerschnitt des Auslasses noch groß ist – bereits begonnen werden zu öffnen – dessen Öffnungsquerschnitt in diesem Moment noch klein ist –, um die Summe der Ventilverfahrzeiten so gering wie möglich zu halten und die entsprechenden Expansionsphasen, Unterdruckphasen und Ausschubphasen in ihrer Zeitdauer zu optimieren. Dabei wird man versuchen, die Expansionsphase, in der der Arbeitskolben unter Überdruck vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bei geschlossenen Ventilen bewegt wird möglichst lange zu gestalten, damit die auf den Kolben beschleunigend wirkenden Kräfte so lange als möglich auf diesen wirken können und auch die Unterdruckphase, d. h. währenddessen der Arbeitskolben vom unteren Totpunkt in Richtung oberen Totpunkt mit Unterdruck beaufschlagt bewegt wird. Die Unterdruckphase dauert dabei bis zu einem Zeitpunkt, an dem ein bestimmter Druck im Arbeitszylinder überschritten wird oder ein bestimmter Winkelwert vor oberen Totpunkt erreicht ist. Die Zeiten zum Befüllen bzw. zum Ausschieben des Arbeitsmediums aus dem Arbeitszylinder wird man dementsprechend versuchen, so kurz als möglich zu gestalten, was bspw. über große Ein- und Auslassquerschnitte bzw. schnelle Ventilverfahrgeschwindigkeiten erreichen kann. Eine hierfür geeignete Ventilbetätigung ist beispielsweise in DE 10 2011 078 556 angegeben und soll hier nicht näher erläutert werden.
Der Druck mit dem das aerosole Kondensat in den Arbeitszylinder eingebracht wird, hat für das Betriebsverhalten der Hubkolbendampfmaschine einen großen Einfluss und ist ein wichtiger Faktor für die Verteilung des aerosolen Arbeitsmediums innerhalb des Arbeitszylinders. Man wird den Druck zum Einnebeln, d. h. zum Feinstverteilen des Kondensats innerhalb des Arbeitszylinders, entsprechend den verwendeten Düsen anpassen, um so eine möglichst gute, vollständige und rasche Umwandlung von gasförmigem Arbeitsmedium in Kondensat innerhalb des Arbeitszylinders zu erreichen. Wie oben bereits angedeutet, kann das aerosole Kondensat mit dem gleichen Druck in den Arbeitszylinder eingebracht werden, mit welchem das Arbeitsmedium im flüssigen Zustand beaufschlagt wird, wodurch gegebenenfalls eine weitere Pumpe in der Anlage eingespart werden kann.
Eine Hubkolbendampfmaschine mit einer erfindungsgemäßen Anordnung von Sprühvorrichtungen zum Einbringen von aerosolen Kondensat in den Arbeitsraum und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbendampfmaschine wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den nachfolgenden Figuren erläutert. Dabei werden in den Figuren gleiche Bauteile mit denselben Bezugsziffern verwendet. Hierbei zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine Hubkolbendampfmaschine mit erfindungsgemäßer Anordnung mehrerer Sprühvorrichtungen.
2 ein Druckverlaufsdiagramm des Arbeitzylinderinnendrucks über die Arbeitskolbenstellung einer Hubkolbendampfmaschine mit und ohne erfindungsgemäße Anordnung von Sprühvorrichtungen.
1, zeigt einen Querschnitt durch einen Arbeitszylinder 2 mit einem darin angeordneten Arbeitskolben 3, welcher sich nach der unteren Totpunktlage (UT) befindet und sich in Richtung der oberen Totpunktlage (OT) bewegt. Im Arbeitsraum 6 befindet sich ein Gemisch aus gasförmigem und teilweise kondensiertem Arbeitsmedium 28, das sich auf dem Arbeitskolben und/oder auf der Arbeitszylindermantelfläche 7 abgesetzt hat. Der in 1 dargestellte Arbeitskolben 3 bewegt sich längs der Bewegungsrichtung 8, welcher der Längsrichtung des Arbeitszylinders 2 entspricht, auf den oberen Totpunkt (OT) zu und verdichtet dabei das im Arbeitsraum 6 vorhandene gasförmige Arbeitsmedium. Über die Vernebelungsdüsen 26, welche in dem Ausführungsbeispiel 1 beispielsweise im Arbeitskolben 3, in der Zylinderkopffläche 4 und Nähe des oberen Totpunkts (OT) an der Arbeitszylindermantelfläche 7 angeordnet sind, sprühen dabei gleichzeitig aerosoles Kondensat 22 in den Arbeitsraum 6 ein. Dadurch wird das gasförmige Arbeitsmedium, das sich im Arbeitsraum 6 befindet, zu kondensiertem Arbeitsmedium 28, welches sich beispielsweise an den Oberflächen, die den Arbeitsraum 6 begrenzen, tropfenförmig absetzt bzw. sich, wie in 1 dargestellt, bei liegendem Arbeitszylinder 2, im unteren Bereich des Arbeitszylinders sammelt. Das aerosole Kondensat 22, welches über die Sprühvorrichtungen 20 in den Arbeitsraum 6 eingespritzt wird, wird nach der Unterdruckphase, in der daran anschließenden Ausschubphase bei geschlossenem Einlassventil 9e und offenem Auslassventil 9a durch den Arbeitskolben 5 aus dem Arbeitsraum 6 entfernt. Das ausgeschobene kondensierte und gasförmige Arbeitsmedium kann dann beispielsweise einem Wasserabscheider zum Trennen der gasförmigen und der flüssigen Phase zugeführt werden.
In 1 sind beispielhaft Sprühvorrichtungen 20, die jeweils zumindest eine Kondensatleitung 24 und eine Vernebelungsdüse 26 aufweisen, an verschiedenen Stellen im Arbeitszylinder 2 bzw. im Arbeitskolben 3 dargestellt, was aber nur beispielhaft für eine Vielzahl von Möglichkeiten steht. Im Prinzip ist zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens eine Sprühvorrichtung 20, d. h. eine mit einer Kondensatdruckleitung 24 verbundene Vernebelungsdüse 26, ausreichend, wobei zu einer eventuellen weiteren Wirkungsgradverbesserung bzw. zum Optimieren des Betriebsverhaltens einer Hubkolbendampfmaschine mehrere Sprühvorrichtungen 20, wie beispielhaft in 1 gezeigt, angeordnet sein können. Eine einfache Lösung, welche gegebenenfalls aber die zu bewegenden Massen erhöht, ist die Verwendung einer hohlen Kolbenstange als Kondensatleitung 24 mit einer an der Kolbenoberseite 5 angeordneten Vernebelungsdüse 26, bei der das Einnebeln bzw. Einsprühen von kondensiertem Arbeitsmedium 28 unabhängig von der Kolbenstellung erfolgen kann. Im Praxisfall wird man eine Kombination aus denen in 1 vorgeschlagenen Lösungen vornehmen, um ein optimales Betriebsverhalten der Hubkolbendampfmaschine zu erreichen.
In 2 ist schematisch eine Innendruckkurve für den in 1 gezeigten Arbeitsraum 6 dargestellt, wobei in Abhängigkeit der Kolbenstellung der Druck aufgetragen wurde. Die gepunktete Linie entspricht dabei dem Innendruck von aus dem Stand der Technik bekannte Hubkolbendampfmaschinen während der Ausschubphase.
Der nun im Folgenden geschilderte Ablauf für ein Betriebsverhalten einer Hubkolbendampfmaschine basiert auf einem während des Betriebs einer mit den erfindungsgemäßen Vernebelungsdüsen 26 ausgerüsteten Hubkolbendampfmaschine gemessenen Druckprotokoll. Im Punkt 9e1 kurz vor oder auch nach OT, wird beispielsweise das Einlassventil geöffnet, damit der Arbeitszylinder mit unter Druck stehendem, gasförmigen Arbeitsmedium – in diesem Fall mit Wasserdampf – befüllt werden kann. Durch das Öffnen des Einlassventiles wird der im Arbeitszylinder vorherrschende Druck zunächst abnehmen, jedoch mit zunehmendem Öffnungsquerschnitt und einströmendem Wasserdampf (Arbeitsmedium) wieder ansteigen. Der stoßartig eintretende Wasserdampf zeigt hierbei eine Wellenlinie im Druckverlauf. Im Punkt 9e2 wird in diesem Ausführungsbeispiel das Einlassventil geschlossen, da die ausreichende Menge an Wasserdampf zum beschleunigten Bewegen des Arbeitskolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt in den Arbeitszylinder eingeströmt ist. Im weiteren Verlauf in Richtung UT sind beide Ventile, sowohl das Einlassventil 9e als auch das Auslassventil 9a geschlossen und der unter Druck stehende, gasförmige Wasserdampf kann seine Expansionsarbeit an den Arbeitskolben 3 abgeben, der dadurch Richtung UT bewegt wird. Hat der Arbeitskolben 3 den unteren Totpunkt erreicht, ist der im Arbeitsraum 6 vorherrschende Druck gegenüber dem Umgebungsdruck leicht erhöht. In seiner Rückbewegung von UT zu OT erfährt der Arbeitskolben 3 eine weitere, durch Volumenveränderung des Arbeitsmediums bedingte Kraft, dadurch, dass ab UT mit dem Einsprühen von aerosolem Kondensat 22 – in diesem Fall Wasser – in den Arbeitszylinder begonnen wird. Dadurch wird der im Arbeitsraum 6 vorhandener Wasserdampf in Wasser umgewandelt, was zu einer Volumenreduzierung der Menge an eingesetztem Arbeitsmedium bedeutet. Der Druck im Arbeitsraum 6, wie aus 2 ersichtlich, dabei kann dabei auch unterhalb des Umgebungsdrucks absinken. Dieser Unterdruck wirkt auf den sich von UT nach OT bewegenden Kolben 3 als eine Art Zugkraft, wodurch ein erfindungsgemäßer Effekt der Wirkungsgradverbesserung erreicht wird.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird beispielsweise bei einer fiktiven Kurbelwellenstellung zwischen 60° und 30° vor OT das Einsprühen von aerosolem Kondensat 22 (hier Wasser) beendet und bei einer angenommenen Kurbelwellenstellung von etwa 30° das Auslassventil 9a (zum Zeitpunkt 9a1) geöffnet. Im Bereich zwischen Ende Einsprühen von aerosolem Kondensat 22 bis zum Zeitpunkt 9a1, in dem das Auslassventil 9a geöffnet wird, steigt der Druck im Arbeitszylinder 2 an, da der sich bewegende Arbeitskolben 3 den Arbeitsraum 6 weiter verringert. Gleichzeitig wird weniger Wasserdampf in Kondensat umgewandelt. Zum Zeitpunkt 9a1 bleibt der Anstieg des Drucks im Arbeitszylinder 2 zunächst moderat, da das Auslassventil 9a geöffnet ist, jedoch nimmt die Drucksteigerung im Arbeitszylinder 2 mit Annäherung des Arbeitskolbens 3 an den oberen Totpunkt zu, da der Arbeitskolben 3 mit seiner Arbeitskolbenfläche 5 den Arbeitsraum 6 schneller verringert als das darin aufgenommene Arbeitsmedium über den Auslass 9a aus dem Arbeitsraum ausströmen kann.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird etwa bei 10° vor OT das Auslassventil 9a geschlossen, wodurch die Druckverlaufkurve im Bereich zwischen 10° vor OT und OT schlagartig ansteigt, bis zu dem Zeitpunkt 9e1, an dem das Einlassventil 9e geöffnet wird. Wie im allgemeinen Teil der Erfindung bereits angedeutet, ist das Schließen des Auslassventiles 9a am Zeitpunkt 9a2 vor dem Öffnen des Einlassventiles nicht in allen Fällen notwendig, sondern kann gegebenenfalls erst nach dem Öffnen des Einlassventiles 9e zum Zeitpunkt 9e1 erfolgen. Das hat den Vorteil, dass das verbleibende Volumen im Arbeitsraum 6 nicht so stark komprimiert werden muss, und die schlagartige Druckerhöhung erst dann erfolgt, wenn das Einlassventil 9e zum Zeitpunkt 9e1 geöffnet wird.
Aus dem Diagramm in 2 ist sehr gut ersichtlich, dass der Zugewinn an mechanischer Energie durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Sprühvorrichtungen 20 im Arbeitszylinder 2 den Wirkungsgrad einer Hubkolbendampfmaschine deutlich verbessern kann. Währenddessen die Druckverlaufskurve für eine Hubkolbendampfmaschine gemäß dem Stand der Technik als gepunktete Linie im unteren Bereich des Diagramms anzeigt, dass der Druck innerhalb des Arbeitszylinders 2 auch bei geöffnetem Auslassventil 9a größer ist als der Umgebungsdruck, sieht man deutlich, dass durch den Einsatz der Sprühvorrichtungen der Druck im Arbeitszylinder 2 bei geschlossenem Auslassventil 9a und geschlossenem Einlassventil unter den Umgebungsdruck gebracht werden kann, wodurch der Arbeitskolben 3 auf seinem Weg von UT nach OT eine Unterdruckbeschleunigungskraft fährt und keine permanente, wenn auch leichte Kompressionsarbeit, verrichten muss.
2 macht auch deutlich, dass durch Einsatz eines sehr kühlen aerosolen Kondensats 22 der Unterdruck verstärkt werden kann, wobei jedoch berücksichtigt werden muss, dass der Aufwand für das Kühlen des Kondensats für den erzeugten Nutzen im Arbeitszylinder 2 optimiert werden muss. Weiterhin ist zu beachten, dass die Menge an eingesetztem/eingesprühtem aerosolen Kondensat 22 die Druckkurve im Bereich nach dem Schließen des Auslassventils 9a zum Zeitpunkt 9a2, umso sprunghafter ansteigen lässt, je mehr Kondensat 22 im Arbeitszylinder 2 vorhanden ist. Dies kann, wie bereits im allgemeinen Teil beschrieben, zu einem Flüssigkeitsschlag bzw. Wasserschlag in der Hubkolbendampfmaschine führen.
Mit dem Einsatz von Sprühvorrichtungen 20, welche zur Einbringung von feinstverteiltem aerosolem Kondensat 22 während der Bewegung eines Arbeitskolbens 3 innerhalb einer Hubkolbendampfmaschine zwischen der unteren Totpunktlage und der oberen Totpunktlage vorgesehen sind, kann somit eine einfache und sehr wirkungsvolle Wirkungsgradverbesserung einer Hubkolbendampfmaschine zur Verfügung gestellt werden. Hierbei können die Sprühvorrichtungen 20 bei Neuentwicklungen von Dampfmaschinen berücksichtigt werden. Auch bereits existierende Dampfmaschinen können mit derartigen Sprühvorrichtungen 20 ausgerüstet werden, wobei auch bei diesen der erfindungsgemäße Unterdruckeffekt dann zur Verfügung steht. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Kolbenrückführung, in der der Arbeitskolben 3 von der unteren Totpunktlage UT in Richtung oberen Totpunktlage bewegt wird, bei geschlossenem Einlassventil 9e und geschlossenem Auslassventil 9a vollzogen wird. Nur dann kann sich der gewünschte Unterdruckeffekt durch Umwandlung des gasförmigen Arbeitsmediums, welches nach der Expansionsphase noch im Arbeitszylinder 2 vorhanden ist, in flüssiges Kondensat durch Einsprühen von aerosolem Kondensat 22 entfalten.
Bezugszeichenliste

2: Arbeitszylinder
3: Arbeitskolben
4: Arbeitszylinderkopffläche
5: Arbeitskolbenoberseite
6: Arbeitsraum
7: Arbeitszylindermantelfläche
8: Bewegungsrichtung Arbeitskolben
9e: Einlassventil
9e1: Öffnungszeitpunkt Einlassventil
9e2: Schließzeitpunkt Einlassventil
9a: Auslassventil
9a1: Öffnungszeitpunkt Auslassventil
9a2: Schließzeitpunkt Auslassventil
20: Sprühvorrichtung
22: aerosoles Kondensat
24: Kondensatleitung
26: Vernebelungsdüsen
28: kondensiertes Arbeitsmedium
OT: oberer Totpunkt
UT: unterer Totpunkt

Claims

Hubkolbendampfmaschine umfassend: – einen Arbeitszylinder (2), – einen im Arbeitszylinder (2) längsverschieblich aufgenommenen Arbeitskolben (3), – zumindest ein Einlassventil (9e), über das der Arbeitszylinder (2) mit einem ein- oder mehrkomponentigen Arbeitsmedium befüllbar ist, und – zumindest ein Auslassventil (9a), über welches das Arbeitsmedium aus dem Arbeitszylinder (2) entfernbar ist, dabei sind das Einlass-(9e) und das Auslassventil (9a) so steuerbar, dass der Arbeitskolben (3) zur Verrichtung von Hubarbeit in einer Expansionsphase mit gasförmigem, unter Druck stehendem Arbeitmedium beaufschlagbar ist und in einer Ausschubphase das Arbeitsmedium aus dem Arbeitszylinder (2) durch den Arbeitskolben (3) ausschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbendampfmaschine Sprühvorrichtungen (20) aufweist, zum Einsprühen von zumindest einer Komponente des Arbeitsmediums als aerosoles Kondensat (22) unterhalb der Verdampfungstemperatur in den Arbeitszylinder (2) während einer Kompressionsphase, in der sich der Arbeitskolben (3) von der unteren Totpunktlage zur oberen Totpunktlage bewegt.
Hubkolbendampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Wasser, ein organisches, anorganisches oder azeotropisches Gemisch ist.
Hubkolbendampfmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtungen (20) an mehreren Stellen am Arbeitszylinder (2) oder im Arbeitskolben (3) angeordnet sind.
Hubkolbendampfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtungen (20) Vernebelungsdüsen (26) sind.
Hubkolbendampfmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aerosole Kondensat (22) mit dem selben Druck in den Arbeitszylinder (2) einbringbar ist wie das über das Einlassventil (9e) einbringbare, unter Druck stehende gasförmige Arbeitsmedium.
Hubkolbendampfmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbendampfmaschine einen Schadraum kleiner 5%, bevorzugt kleiner 2%, besonders bevorzugt kleiner 0,5% des Hubvolumens des Arbeitskolbens (3) aufweist.
Hubkolbendampfmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Einlassventil (9e) und/oder das zumindest eine Auslassventil (9a) mechanisch über Kniehebelgetriebe betätigbar sind.
Hubkolbendampfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Auslassventil (9a) ein Rückschlagventil ist.
Hubkolbendampfmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinder (2) und/oder Arbeitskolben (3) gegenüber der Umgebung thermisch isoliert sind.
Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbendampfmaschine mit den folgenden Schritten, die periodisch ablaufen: a) Öffnen eines Einlassventils (9e1) zum Befüllen eines Arbeitszylinders (2) der Hubkolbendampfmaschine mit einem erwärmten, unter Druck stehenden, gasförmigen, ein- oder mehrkomponentigen Arbeitsmedium, wenn sich ein Arbeitskolben (3) innerhalb des Arbeitszylinder (2) der Hubkolbendampfmaschine im Bereich zwischen –5° vor und +10° nach der oberen Totpunktlage (OT) befindet; b) Schließen des Einlassventils (9e2), wenn die in den Arbeitszylinder (2) eingeströmte Menge an gasförmigem, unter Druck stehendem Arbeitsmedium ausreicht, um den Arbeitskolben (3) in der Expansionsphase der Hubkolbendampfmaschine druckbeaufschlagt in die untere Totpunktlage (UT) zu verbringen, in welcher der Druck im Arbeitszylinder (2) im Bereich der unteren Totpunktlage (UT) des Arbeitskolbens zumindest dem Umgebungsdruck entspricht; c) Einsprühen von zumindest einer Komponente des Arbeitsmediums als aerosoles Kondensat (22) in den Arbeitszylinder (2) der Hubkolbendampfmaschine während einer Kompressionsphase, bei der sich der Arbeitskolben (3) von der unteren Totpunktlage zur oberen Totpunktlage bewegt und das Auslassventil geschlossen ist; d) Öffnen eines Auslassventils (9a1), wenn der Druck im Arbeitsraum in der Kompressionsphase einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt oder ein vorbestimmter Winkel vor der oberen Totpunktlage des Arbeitskolbens (3) erreicht ist; e) Schließen des Auslassventils (9a2), wenn sich der Arbeitskolben (3) innerhalb des Arbeitszylinder (2) der Hubkolbendampfmaschine im Bereich zwischen –10° vor und +5° nach der oberen Totpunktlage (OT) befindet.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsprühen des aerosolen Kondensats (22) in den Arbeitszylinder (2) mit dem selben Druck erfolgt, wie das Befüllen des Arbeitszylinders (2) mit gasförmigem Arbeitsmedium.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsprühen von aerosolem Kondensat (22) an mehreren Stellen des Arbeitszylinders (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (9a) geöffnet wird (9a1), wenn der Druck im Arbeitszylinder (2) höher ist als der Druck, mit dem der Arbeitszylinder (2) mit gasförmigem Arbeitsmedium befüllt wird.