DE102013210595A1 - Rail vehicle with a steam power process and use of a steam power process in a rail vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug (1, 1a) mit zumindest einem Dampferzeuger (6), der unter Einsatz einer Primärenergiequelle (11) zum Verdampfen eines thermodynamischen Arbeitsmediums (8) zu Dampf ausgelegt ist, und mit zumindest einem Dampfmotor (5), der zum Umsetzen von Energie des Dampfes in ein das Schienenfahrzeug (1, 1a) antreibendes Traktionsmoment ausgelegt ist, wobei der Dampferzeuger (6), der Dampfmotor (5) und ein Kondensator (12) zum Ausführen eines geschlossenen Dampfkraftprozesses in einem geschlossenen Dampfkraftkreislauf (13) miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung eines Dampfkraftprozesses in einem Schienenfahrzeug (1, 1a).The invention relates to a rail vehicle (1, 1a) with at least one steam generator (6) which is designed to evaporate a thermodynamic working medium (8) into steam using a primary energy source (11), and with at least one steam engine (5) which is used for Conversion of energy of the steam into a traction torque driving the rail vehicle (1, 1a) is designed, the steam generator (6), the steam engine (5) and a condenser (12) for performing a closed steam power process in a closed steam power circuit (13) with one another are connected. The invention also relates to the use of a steam power process in a rail vehicle (1, 1a).
Description
Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit den oberbegrifflichen Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und eine Verwendung eines Dampfkraftprozesses in einem Schienenfahrzeug.The invention relates to a rail vehicle with the above-conceptual features according to
Eisenbahnfahrzeuge, welche auf nicht-elektrifizierten Strecken zum Einsatz kommen, müssen die für den Betrieb erforderliche Energie an Bord mitführen. Dies geschieht in Form von chemisch gebundener Energie als Kraftstoff bzw. Brennstoff oder in Form elektrischer Ladung in einer Batterie. Diese an Bord gespeicherte Primärenergie wird in einer oder mehreren Stufen in Zugkraft und in daraus entstehende kinetische Energie des gesamten Fahrzeugs umgewandelt, welche die Bewegung des Fahrzeugs auf dem Schienenweg ausmacht.Railway vehicles used on non-electrified lines must carry the energy required for operation on board. This happens in the form of chemically bound energy as fuel or in the form of electrical charge in a battery. This primary energy stored on board is converted in one or more stages into traction and resulting kinetic energy of the entire vehicle, which constitutes the movement of the vehicle on the railway.
Liegt die auf dem Fahrzeug gespeicherte Primärenergie in chemischer Form vor, so bedarf es eines thermodynamischen Kraftprozesses, um diese in mechanische Energie umwandeln zu können. Der erste und zugleich älteste im Eisenbahnsektor verwendete Typ von Kraftprozess ist der Dampfkraftprozess. Bei diesem wird in einem Dampferzeuger als Arbeitsmedium Wasser in einen Heizkessel eingebracht und unter Verbrennung von Holz, Kohle oder Öl als Primärenergiequelle auf eine Temperatur oberhalb seiner Siedetemperatur gebracht. Das dort erreichte Energieniveau wird anschließend in einem Zylinder als einem Expander zur gezielten Verrichtung mechanischer Arbeit bzw. zur Traktion herangezogen. Der Dampf wird nach Verrichtung der Arbeit aus dem Zylinder in die Umwelt ausgelassen. Das Prinzip des Dampfkraftprozesses für Schienenfahrzeuge wurde über viele Jahrzehnte auf vielfältige Art und Weise weiterentwickelt, bevor es von anderen konkurrierenden Prinzipien abgelöst wurde.If the primary energy stored on the vehicle is in chemical form, a thermodynamic force process is required in order to convert it into mechanical energy. The first and oldest type of power process used in the railway sector is the steam power process. In this, water is introduced into a boiler in a steam generator as a working medium and brought under combustion of wood, coal or oil as a primary energy source to a temperature above its boiling point. The energy level reached there is then used in a cylinder as an expander for the targeted performance of mechanical work or for traction. The steam is discharged from the cylinder into the environment after the work has been done. The principle of the steam power process for rail vehicles has been developed in many ways over many decades before it has been superseded by other competing principles.
Allgemein bekannt sind Initiativen bei US-amerikanischen Forschungseinrichtungen, die auf ein "dampfelektrisches" Prinzip setzen.Initiatives are well known among US research institutions that rely on a "steam-electric" principle.
Sich verschärfende Abgasemissionsauflagen machen es erforderlich, nach alternativen oder verbesserten Antriebskonzepten für Schienenfahrzeuge zu suchen.Tightening exhaust emissions regulations make it necessary to look for alternative or improved drive concepts for rail vehicles.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Schienenfahrzeug mit einem Energie sparenden Antriebssystem anzugeben.The invention is therefore based on the object to provide a rail vehicle with an energy-saving drive system.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 10 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben. The solution according to the invention is characterized by the features of
Eine bevorzugte Ausgestaltung ist demgemäß ein Schienenfahrzeug mit zumindest einem Dampferzeuger, der unter Einsatz einer Primärenergiequelle zum Verdampfen eines thermodynamischen Arbeitsmediums zu Dampf ausgelegt ist, und mit zumindest einem Dampfmotor, der zum Umsetzen von Energie des Dampfes in ein das Schienenfahrzeug antreibendes Traktionsmoment ausgelegt ist, wobei der Dampferzeuger, der Dampfmotor und ein Kondensator zum Ausführen eines geschlossenen Dampfkraftprozesses in einem geschlossenen Dampfkraftkreislauf miteinander verbunden sind.A preferred embodiment is accordingly a rail vehicle with at least one steam generator, which is designed using a primary energy source for evaporating a thermodynamic working medium to steam, and with at least one steam engine, which is designed to convert energy of the steam into a traction torque driving the rail vehicle the steam generator, the steam engine and a condenser for carrying out a closed steam power process are connected together in a closed steam power cycle.
Es ist somit vorgesehen, anstelle eines offenen Systems, bei dem der Dampf bzw. das aus dem Dampfmotor austretende Arbeitsmedium in die Umgebung des Schienenfahrzeugs ausgelassen wird, ein geschlossenes System zu verwenden, in welchem das Arbeitsmedium zirkulieren kann. Dies ermöglicht Arbeitsmedium einzusparen, da kein Wasser in die Umgebung abgelassen wird, welches ansonsten ständig nachzufüllen wäre. Dies ermöglicht außerdem, Energie einzusparen, da dem Arbeitsmedium im Dampferzeuger Energie zugeführt wird und im Dampfmotor nicht vollständig verbrauchte dieser Energie nicht zusammen mit dem Arbeitsmedium in die Umgebung abgelassen, sondern im Dampfkreislauf belassen wird. Im Dampferzeuger ist daher nur eine im Dampfmotor und eine gegebenenfalls im Kondensator entzogene Differenzenergie erneut zuzuführen.It is thus envisaged to use a closed system in which the working medium can circulate instead of an open system in which the steam or the working medium leaving the steam engine is discharged into the surroundings of the rail vehicle. This allows saving working medium, since no water is discharged into the environment, which would otherwise be constantly refilled. This also makes it possible to save energy, since the working medium in the steam generator energy is supplied and not fully used in the steam engine this energy is not discharged together with the working fluid in the environment, but is left in the steam cycle. In the steam generator therefore only one in the steam engine and optionally extracted in the condenser differential energy is supplied again.
Eine Weiterbildung des Schienenfahrzeugs besteht darin, dass die Primärenergiequelle aus einer Primärenergiequelle aus nicht-fossilem Vorkommen besteht. Die Primärenergiequelle ist insbesondere aus einem im Schienenfahrzeug mitgeführten Kraft- bzw. Brennstoff aus nicht-fossilem Vorkommen ausgebildet. Bei dem Kraft- bzw. Brennstoff kann es sich rein beispielsweise um Holzpellets, Öl oder Wasserstoff handeln, welche als natürliche Rohstoffe bereitgestellt werden oder auf synthetischem Wege oder unter Einsatz von beispielsweise Sonnen- oder Windenergie bereitgestellt werden.A development of the rail vehicle is that the primary energy source consists of a primary energy source of non-fossil occurrence. The primary energy source is formed, in particular, from a non-fossil fuel or fuel carried in the rail vehicle. In the fuel or can it may be purely wood pellets, oil or hydrogen, for example, which are provided as natural raw materials or provided synthetically or using, for example, solar or wind energy.
Eine Weiterbildung des Schienenfahrzeugs besteht darin, dass die Primärenergiequelle aus Gas aus fossilem oder nicht-fossilem Vorkommen, insbesondere aus Syntheseprozessen besteht. Das Gas kann in komprimierter Form oder im flüssigen Aggregatzustand auf dem von einem Dampfkraftprozess angetriebenen Schienenfahrzeug oder einem von diesem im Zugverband mitgeführten Schienenfahrzeug bevorratet sein.A refinement of the rail vehicle is that the primary energy source consists of gas from fossil or non-fossil occurrence, in particular from synthesis processes. The gas may be stored in compressed or liquid state on the steam-powered rail vehicle or on a railcar carried by it in the train.
Noch eine Weiterbildung ist es, dass die Primärenergiequelle sich auf dem Schienenfahrzeug befindet oder auf einem separaten Schienenfahrzeug, welches im Zugverband insbesondere benachbart mitgeführt wird.Yet another development is that the primary energy source is located on the rail vehicle or on a separate rail vehicle, which is carried along in the train in particular adjacent.
Auch ist es eine Weiterbildung des Schienenfahrzeugs, dass das im Dampfkraftprozess zum Verdampfen bzw. Kondensieren verwendete Arbeitsmedium auf Wasser basiert, Wasser aufweist oder aus einem gegenüber Wasser anderen verdampfbaren und kondensierbaren Medium besteht. Das im Kraftprozess verwendete Arbeitsmedium zum Verdampfen bzw. Kondensieren basiert in seiner Zusammensetzung somit nicht zwingend auf Wasser oder ausschließlich Wasser, sondern kann auch ganz oder anteilig aus einem anderen geeigneten Medium bestehen.It is also a development of the rail vehicle that the working medium used in the steam power process for vaporizing or condensing based on water, water or consists of a water other vaporizable and condensable medium. The working medium for vaporizing or condensing used in the power process is thus not necessarily based in its composition on water or exclusively water, but may also consist entirely or proportionately of another suitable medium.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass das Schienenfahrzeug als eine Lokomotive mit zumindest zwei Drehgestellen ausgebildet ist. Eine besondere Bauform eines solchen Fahrzeugs ist eine Lokomotive mit zwei oder mehreren gleichen oder verschiedenen Drehgestellen, welche auch als Drehgestellfahrzeug bezeichnet wird.A further development is that the rail vehicle is designed as a locomotive with at least two bogies. A particular design of such a vehicle is a locomotive with two or more identical or different bogies, which is also referred to as a bogie vehicle.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass das Schienenfahrzeug eine Lokomotive ist, bei der alle Räder oder Radsätze einem gemeinsamen Fahrwerksrahmen zugeordnet sind, wie dies zum Beispiel als Starrahmenfahrzeug realisierbar ist.Another development is that the rail vehicle is a locomotive, in which all wheels or wheelsets are assigned to a common chassis frame, as can be realized, for example, as a rigid frame vehicle.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass das Schienenfahrzeug derart ausgebildet ist, dass mittels des Traktionsmoments alle Räder oder Radsätze des Schienenfahrzeugs gleichzeitig antreibbar sind.It is also a development that the rail vehicle is designed such that by means of the traction torque all wheels or wheelsets of the rail vehicle can be driven simultaneously.
Noch eine Weiterbildung des Schienenfahrzeugs besteht darin, dass der geschlossene Dampfkraftprozess als zumindest zeitweise alleiniges Antriebsprinzip in dem Schienenfahrzeug einsetzbar ist, wobei das Schienenfahrzeug dem Dampfmotor zugeordnet eine oder mehrere Kolbenmotoranlagen zum Erzeugen des für eine Fortbewegung notwendigen Traktionsmoments und eine oder mehrere kontinuierlich drehende mechanische Übertragungselemente, insbesondere Gelenkwellen, die an angetriebene Radsätze oder Räder, insbesondere Einzelräder gekoppelt oder koppelbar sind, aufweist, wobei das mechanische Traktionsmoment auf seinem Übertragungsweg unter Beibehaltung seiner mechanischen Art insbesondere übersetzbar oder wandelbar ist.Yet another development of the rail vehicle is that the closed steam power process is used as at least temporarily sole drive principle in the rail vehicle, the rail vehicle associated with the steam engine one or more piston engine systems for generating the traction torque necessary for locomotion and one or more continuously rotating mechanical transmission elements, in particular propeller shafts which are coupled or can be coupled to driven wheelsets or wheels, in particular single wheels, wherein the mechanical traction torque is particularly translatable or convertible on its transmission while maintaining its mechanical nature.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung besteht in einer Verwendung eines Dampfkraftprozesses in einem Schienenfahrzeug, wobei in dem geschlossenen Dampfkraftprozess mittels einer Primärenergiequelle ein thermodynamisches Arbeitsmedium verdampft wird und mit dem thermodynamischen Arbeitsmedium ein das Schienenfahrzeug antreibendes Traktionsmoment erzeugt wird, wobei das thermodynamische Arbeitsmedium kondensiert und in einem geschlossenen Dampfkraftprozess zum Verdampfen in den Dampferzeuger zurückgeführt wird.A further preferred embodiment is a use of a steam power process in a rail vehicle, wherein in the closed steam power process by means of a primary energy source, a thermodynamic working medium is evaporated and the traction torque driving the rail vehicle is generated with the thermodynamic working medium, wherein the thermodynamic working fluid condenses and in a closed steam power process is returned to the steam generator for evaporation.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass als die Primärenergiequelle eine Primärenergiequelle aus nicht-fossilem Vorkommen verwendet wird. A further development is that a primary energy source from non-fossil occurrence is used as the primary energy source.
Noch eine Weiterbildung besteht darin, dass als das im Dampfkraftprozess zum Verdampfen bzw. Kondensieren verwendete Arbeitsmedium Wasser zumindest anteilig verwendet wird und/oder als das im Dampfkraftprozess zum Verdampfen bzw. Kondensieren verwendete Arbeitsmedium ein gegenüber Wasser verschiedenes verdampfbares und kondensierbares Medium verwendet wird.Yet another development is that water is used at least proportionally as the working medium used for vaporizing or condensing in the steam power process and / or as the working medium used for vaporizing or condensing in the steam power process a vaporizable and condensable medium different from water is used.
Ermöglicht wird insbesondere eine Nutzung eines oder mehrerer auf dem Fahrzeug stattfindenden geschlossenen Dampfkraftprozesse als zumindest zeitweise alleinigem Antriebsprinzip in einem Schienenfahrzeug, wobei das für die Fortbewegung notwendige Traktionsmoment beispielsweise in einer oder mehreren Kolbenmotoranlagen als Dampfmotor erzeugt und über eine oder mehrere Gelenkwellen oder andersartige kontinuierlich drehende mechanische Übertragungselemente an die angetriebenen Radsätze oder Einzelräder weitergegeben wird. Auf seinem Übertragungsweg kann dieses mechanische Traktionsmoment unter Beibehaltung seiner mechanischen Art mittels eines Getriebes noch übersetzt bzw. gewandelt werden. Das thermodynamische Arbeitsmedium besteht aus bzw. basiert bevorzugt im Wesentlichen auf Wasser.In particular, it is possible to use one or more closed steam power processes taking place on the vehicle as the sole drive principle in a rail vehicle, wherein the traction torque required for locomotion is generated, for example, in one or more piston engine systems as a steam engine and via one or more propeller shafts or other continuously rotating mechanical propulsion Transmission elements is passed to the driven wheelsets or single wheels. On its transmission path, this mechanical traction torque can still be translated or converted while maintaining its mechanical nature by means of a transmission. The thermodynamic working medium consists of or is preferably based essentially on water.
Derartige Weiterbildungen ermöglichen mit Blick auf die sich verschärfenden Abgasemissionsauflagen, das Dampfkraftprinzip unter Nutzung heutiger technologischer Möglichkeiten mit überraschend einfachen Mitteln fortzuentwickeln, was zu einer Renaissance auf dem Gebiet der Eisenbahn führen kann.Such developments allow, in view of the increasingly stringent exhaust emission requirements, the steam power principle using today's technological possibilities with surprisingly simple means to develop further, which can lead to a renaissance in the field of railways.
Insbesondere kann auf zueinander gattungsfremde heutige technische Möglichkeiten zugegriffen werden, wie auf die heutigen technischen Möglichkeiten auf dem Gebiet des Kesselbaus, auf zwischenzeitlich einsetzbare, insbesondere neu entwickelte Materialien, auf neue Kenntnisse der Verbrennungstechnik sowie auf neu entwickelte Möglichkeiten im Bereich einer Steuerung bzw. Regelung in Kombination mit einem geschlossenen Kreisprozess. Bei einem solchen Dampfkreisprozess kann das Arbeitsmedium, gewöhnlich Wasser oder auf Wasserbasis, nach der Arbeitsphase auf den flüssigen Zustand rückkondensiert werden, bevor es den Kreisprozess zum wiederholten Male durchläuft. Das geschlossene Prinzip des Dampfkraftprozesses hat den Vorteil, dass ein Betrieb des Fahrzeugs nicht grundsätzlich den Verlust an Arbeitsmedium bedeutet, sondern dass dieses gegebenenfalls lediglich von Zeit zu Zeit im Fall technisch nicht vermeidbarer Leckageverluste nachzufüllen ist. Eine solche technische Lösung auf einem Schienenfahrzeug zeichnet sich auch dadurch aus, dass die Arbeitsmaschine eine mehr- oder vielzylindrische Kolbenmotoranlage darstellen kann, welche ihr entstandenes mechanisches Drehmoment in beispielsweise kontinuierlicher, nicht oder schwach pulsierender Form an ein modernes Eisenbahnfahrwerk abgibt. Die Weitergabe dieses mechanischen Antriebsmoments an das Fahrwerk kann besonders einfach über Antriebswellen, zum Beispiel Gelenkwellen erfolgen. Dem Umweltgedanken trägt ein solcher Dampfkraftantrieb dadurch Rechnung, dass die im Dampferzeuger stattfindende Verbrennung zeitlich und thermisch verbessert, insbesondere optimal, also effizient und emissionsarm ausgeführt und falls möglich sogar mit unkonventionellen Brennstoffen bewerkstelligt werden kann. Die Brennstoffe sind bevorzugt flüssig oder gasförmig bereitstellbar. In particular, it is possible to access today's technical possibilities that are foreign to one another, such as today's technical possibilities in the field of boiler construction, materials that can be used in the meantime, in particular newly developed materials, new knowledge of combustion technology and newly developed possibilities in the field of control or regulation Combination with a closed cycle process. In such a steam cycle, the working medium, usually water or water-based, may be recondensed to the liquid state after the working phase before it undergoes the cycle again. The closed principle of the steam power process has the advantage that operation of the vehicle does not basically mean the loss of working medium, but that this is possibly only from time to time in the case of technically unavoidable leakage refills. Such a technical solution on a railway vehicle is also distinguished by the fact that the working machine can represent a multi-cylinder or multi-cylinder piston engine system, which emits its resulting mechanical torque in, for example, continuous, non-pulsating or weakly pulsating form to a modern railway chassis. The transmission of this mechanical drive torque to the chassis can be done easily via drive shafts, for example, cardan shafts. The environmental idea contributes to such a steam power drive account that takes place in the steam generator combustion temporally and thermally improved, in particular optimally executed so efficient and low emissions and if possible can be accomplished even with unconventional fuels. The fuels are preferably provided liquid or gaseous.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:The solution according to the invention is explained below with reference to figures. The following is shown in detail:
Zur Versorgung des Dampfmotors
Bei der Primärenergiequelle
Nach Verrichtung von Arbeit durch das als Dampf in den Dampfmotor
Das Arbeitsmedium
Beispielhaft handelt es bei dem Schienenfahrzeug
Das beispielhafte Schienenfahrzeug
Außerdem weist das Schienenfahrzeug
Jeder der Dampfkreisläufe
Gemäß einer modifizierten Ausgestaltung kann beispielsweise auch nur ein einzelner Radsatz eines Drehgestells oder Fahrwerkrahmens angetrieben werden.According to a modified embodiment, for example, only a single wheel of a bogie or chassis frame can be driven.
Insbesondere können die einzelnen Aspekte und Komponenten der verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen auch untereinander ausgetauscht und/oder kombiniert werden, um noch weitere Ausgestaltungen zu erstellen.In particular, the individual aspects and components of the various described embodiments can also be interchanged and / or combined with one another in order to create further embodiments.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 1a1, 1a
- Schienenfahrzeug track vehicle
- 22
- Schiene rail
- 33
- Rad wheel
- 44
- Übertragungselemente, insbesondere Getriebe Transmission elements, in particular transmission
- 55
- Dampfmotor steam engine
- 66
- Dampferzeuger steam generator
- 77
- Behälter für Arbeitsmedium Container for working medium
- 88th
- Arbeitsmedium working medium
- 99
- Brenner burner
- 1010
- Behälter für Primärenergiequelle Container for primary energy source
- 1111
- Primärenergiequelle Primary energy source
- 1212
- Kondensator capacitor
- 1313
- geschlossener Dampfkraftkreislauf closed steam cycle
- 1414
- Fahrwerksrahmen chassis frame
- 1515
- Verbrennungsluft-Ansaugeinrichtung Combustion air intake device
- 1616
- Drehgestell bogie
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102006043518 A [0004] DE 102006043518 A [0004]
- US 5121607 A [0005] US 5121607 A [0005]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |