DE10228595A1

DE10228595A1 - Aufheizeinrichtung

Info

Publication number: DE10228595A1
Application number: DE2002128595
Authority: DE
Inventors: Michael Hoetger; Herbert Clemens; Tobias Haas; Raymond Prof. Dr.-Ing.habil. Freymann; Andreas Dr. Obieglo
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Enginion AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Enginion AG
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: DE10228595B4

Abstract

Aufheizeinrichtung (1) zum Aufheizen wenigstens eines Fluids mit einem Aufheizgehäuse (2), das wenigstens einen Fluideingang (12, 13) und wenigstens einen Fluidausgang (16) sowie Rufheizflächen (15) aufweist, über die das Fluid mittels einer Wärmequelle (Pfeil B) erhitzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizgehäuse (2) Teil von wenigstens einer Fluidfördereinheit (1) mit einem Fluidförderkörper (5) ist, der drehbar in dem Aufheizgehäuse (2) gelagert ist und durch dessen von einem Antrieb bewirkten Drehbewegung das Fluid vom Fluideingang (12, 13) an den Rufheizflächen (15) vorbei zum Fluidausgang (16) transportierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufheizeinrichtung zum Aufheizen wenigstens eines Fluids mit einem Aufheizgehäuse, das wenigstens einen Fluideingang und wenigstens einen Fluidausgang sowie Aufheizflächen aufweist, über die das Fluid mittels einer Wärmequelle erhitzbar ist.
Aufheizeinrichtungen der vorliegenden Art bilden Wärmeaustauscher, über die ein in die Aufheizeinrichtung eingeleitetes Fluid mittels Wärmeaustausch über die Aufheizflächen auf eine höhere Temperatur gebracht werden kann. Solche Aufheizeinrichtungen werden vielfältig angewandt und sind in Anpassung an den Anwendungszweck in verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Eine Übersicht findet sich in Ulmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, Band 2, 4. Aufl., 1972, S. 432 bis 444.
Aufheizeinrichtungen der vorgenannten Art kommen auch in Dampfmotoren zur Anwendung, die in jüngerer Zeit wieder in den Blickpunkt des Interesses als Haupt- oder Zusatzantriebe in Kraftfahrzeugen gerückt sind. Ein entspre chender Dampfmotor ist in den Artikeln „Zero Emission Engine – Der Dampfmotor mit isothermer Expansion", MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000), Nummer 5 und „Der Dampfmotor – Entwicklungsstand und Marktchancen", MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 (2001), Nr. 5 im einzelnen beschrieben. Er hat eine Drei-Zylinder-Hubkolbenmaschine, die Teil eines geschlossenen Dampfkreislaufs aus Dampferzeuger, je einem Dampfinjektor pro Zylinderkopf, einem Abdampfwärmeaustauscher für die Aufheizung von Frischluft, einem Kondensator und einer Speisewasserpumpe ist. In einer Verbrennungseinrichtung wird ein Heißgasstrom erzeugt, mit dem der als Aufheizeinrichtung dienende Dampferzeuger beaufschlagt wird. Das aus dem Dampferzeuger austretende Abgas gelangt in einen Abgaswärmeaustauscher, der von der angesaugten Frischluft zum Zwecke deren Aufheizung durchströmt wird.
Der vorbeschriebene Dampfmotor wurde zunächst als Antrieb für eine Kraftfahrzeug konzipiert. In dem oben zweitgenannten Artikel ist auch seine Eignung für den Einsatz in Blockheizkraftwerken angesprochen. Die besonderen Vorteile des beschriebenen Dampfmotors sind niedrigste Emissionen ohne Abgasnachbehandlung, hohes Drehmoment und hohe Leistungsdichte, Brennstoffflexibilität, variable Auskopplung thermischer und mechanischer Energie, guter Wirkungsgrad, geringe Geräuschentwicklung und Ölfreiheit des gesamten Systems.
Bei dem Dampfmotor kommen Röhrenwärmeaustauscher als dampferzeugende Aufheizeinrichtungen zur Anwendung. Sol che Aufheizeinrichtungen nehmen erheblichen Platz in Anspruch, zumal ein solcher Dampfmotor mehrere solcher Wärmeaustauscher hat.
Daneben sind Kombimotoren bekannt, bei denen ein Verbrennungsmotor mit einem Dampfmotor kombiniert ist, wobei der Dampfmotor seine Leistung an die Ausgangswelle des Verbrennungsmotors abgibt. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades wird das Abgas des Verbrennungsmotors dazu genutzt, das Speisewasser für den Dampfmotor in einer als Abgaswärmetauscher ausgebildeten Aufheizeinrichtung zu verdampfen. Bei dem Kombimotor nach der DE 196 10 382 A1 geschieht dies in einem konventionellen Wärmetauscher. Der Dampfmotor ist insofern Teil des Verbrennungsmotors, als der Dampfmotor einen Kolben hat, der über ein Pleuel direkt auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors wirkt. Bei dem Kombimotor nach der DE 42 05 240 A1 wird das Abgas an der Außenseite eines rotierenden, als Hohlkörper ausgebildeten Zylinders vorbeigeleitet. Das zu verdampfende Speisewasser wird in den Innenraum des Zylinders geleitet, verdampft dort und gelangt dann in eine Dampfturbine, die über ein Getriebe mit der Motorausgangswelle des Verbrennungsmotors verbunden ist und gleichzeitig den Zylinder antreibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aufheizeinrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß sie besonders kompakt ist und sich aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit für den Einsatz als Dampferzeuger eines Dampfmotors eignet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Aufheizgehäuse Teil von wenigstens einer Flügelzelleneinheit mit einem Fluidförderkörper ist, der drehbar in dem Aufheizgehäuse gelagert ist und durch dessen von einem Antrieb bewirkten Drehbewegung das Fluid vom Fluideingang an den Aufheizflächen vorbei zum Fluidausgang transportierbar ist. Grundgedanke der Erfindung ist es also, als wärmetauschende Aufheizeinrichtung eine oder mehrere Fluidfördereinheit(en) zu verwenden, in die das aufzuheizende Fluid eingeleitet und mittels des jeweiligen Fluidförderkörpers über einen gewünschten Winkelbereich transportiert und dabei an den Aufheizflächen vorbeigeführt wird. Aufgrund der Drehbewegung des Fluidförderkörpers entsteht an den Aufheizflächen des Aufheizgehäuses eine intensive Konvektion und damit ein guter Wärmeübergang. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Aufheizeinrichtung besteht darin, daß sich der Grad der Aufheizung durch die Drehzahl des Fluidförderkörper beeinflussen läßt. Dies macht die Aufheizeinrichtung besonders geeignet als Dampferzeuger für einen Dampfmotor, da sich unter anderem durch die Drehzahl die Überhitzungstemperatur einstellen läßt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, durch Druckmodulation des in die Aufheizeinrichtung eingeleiteten Fluids auch den Massenstrom zu beeinflussen.
Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Aufheizeinrichutng aber auch für andere Wärmeaustauscherzwecke einsatzfähig ist.
In Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Fluidförderkörper mit dem Aufheizgehäuse mehrere Zellvolumina ausbildet, die vorzugsweise über den Umfang des Fluidförderkörpers verteilt sind und in denen das Fluid transportierbar ist. Als Fluidfördereinheiten kommen dabei Schneckenförderer mit einer oder mehreren, miteinander kämmenden Schnecken, Zahnradförderer mit einem oder mehreren miteinander kämmenden Zahnrädern, Drehkolbenförderer, insbesondere als Rootsförderer oder Rollkolbenförderer in Frage. Aber auch andere Fluidfördereinheiten mit drehbaren Fluidförderkörpern sind geeignet. Dies gilt insbesondere für eine Fluidfördereinheit, die als Flügelzelleneinheit mit einem in dem Aufheizgehäuse drehbaren Flügelzellenrad ausgebildet ist, dessen Lamellen zwischen sich Zellvolumina einschließen. Solche Flügelzelleneinheiten bieten die Möglichkeit, das Fluid nicht nur aufzuheizen, sondern auch im gewünschten Umfang zu verdichten. Dies kann dadurch geschehen, daß das Flügelzellenrad gegenüber dem Aufheizgehäuse mit einer derartigen Exzentrizität angeordnet ist und/oder das Aufheizgehäuse derart geformt ist, daß sich die Zellvolumina vom Bereich des Fluideingangs bzw. der Fluideingänge bis zum Fluidausgang bzw. den Fluidausgängen verkleinern. Es versteht sich, daß in diesem Fall die Lamellen des Flügelzellenrades radial verschieblich geführt sein müssen, damit sie sich an die Kontur der Umfangswandung des Aufheizgehäuses anpassen.
Im allgemeinen bleibt nach dem Überstreichen des Fluidausgangs in dem betreffenden Zellvolumen ein Restdruck. Damit es im Bereich des Fluideingangs nicht zu Druckschwingungen kommt, sollte das Flügelzellenrad gegenüber dem Aufheizgehäuse mit einer derartigen Exzentrizität angeordnet und/oder das Aufheizgehäuse derart geformt sein, daß sich die Zellvolumina zwischen Fluidausgang und Fluideingang vergrößern und danach wieder verkleinern. Auf diese Weise wird zwischen Fluidausgang und Fluideingang eine Druckreduzierung erreicht, die das Auftreten von Schwingungen weitestgehend vermeidet. Soweit eine Exzentrizität des Flügelzellenrades gegeben ist, kann es zweckmäßig sein, daß diese Exzentrizität einstellbar ausgebildet ist, die Achsen von Flügelzellenrad und Aufheizgehäuse also zueinander verschiebbar sind.
Eine Druckentlastung kann auch dadurch bewirkt werden, daß in Drehrichtung zwischen Fluidausgang und Fluideingang ein Druckentlastungsausgang vorgesehen wird. Dieser kann mit einem Fluideingang über eine Drossel verbunden werden.
Die erfindungsgemäße Aufheizeinrichtung kann auch zweiphasig betrieben werden, indem Fluideingänge als Gasfluideingang für den Eintritt eines gasförmigen bzw. dampfförmigen Fluids und als Flüssigfluideingang für den Eintritt eines zumindest teilweise flüssigen und/oder dampfförmigen Fluids ausgebildet sind. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere als Dampferzeuger eines Dampfmotors, bei dem der Gasfluideingang mit dem Dampf austritt eines Siedebehälters und der Flüssigfluideingang mit dem Flüssigkeitsaustritt des Siedebehälters verbunden werden. Diese Ausführungsform ist vor allem dann zweckmäßig, wenn zwischen Dampfaustritt und Gasfluideingang ein Verdichter angeordnet ist, der den aus dem Siedebehälter kommenden Dampf verdichtet und dadurch auf eine höhere Temperatur bringt, so daß die Flüssigkeit aus dem Siedebehälter beim Einspritzen in die Aufheizeinrichtung teilweise spontan verdampft und hierdurch der. Druck in der Aufheizeinrichtung stark erhöht wird. Durch weitere Wärmezufuhr über die Aufheizflächen der erfindungsgemäßen Aufheizeinrichtung wird das sich in einem Zellvolumen befindliche Arbeitsmedium vollständig verdampft und überhitzt, wodurch der Druck zusätzlich gesteigert wird. Der dabei entstehende überhitzte Dampf kann dann als Arbeitsmedium einer Expansionsmaschine zugeführt werden.
Die Aufheizflächen sind zweckmäßigerweise an dem Aufheizgehäuse und hier insbesondere an der Umfangswandung im Bereich zwischen Fluideingang und -ausgang vorgesehen. Alternativ oder in Kombination dazu können die Aufheizflächen auch von der Nabe des bzw. der Fluidförderkörper gebildet werden.
Insbesondere für den Einsatz der erfindungsgemäßen Aufheizeinrichtung bei Dampfmotoren ist es vorteilhaft, wenn der bzw. die Fluidförderkörper einen Antrieb mit Drehzahlsteuerung aufweist bzw. aufweisen. Über die Veränderung der Drehzahl des Fluidförderkörpers – im Falle der Flügelzelleneinheit das Flügelzellenrad – kann der Grad der Überhitzung entsprechend den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden, d.h. der Dampfmotor kann an die jeweils geforderte Last schnell und problemlos adaptiert werden.
Es versteht sich, daß auf einer Welle nebeneinander mehrere Fluidfördereinheiten angeordnet werden können. In diesem Fall ist es zweckmäßig, daß der Fluidausgang einer Fluidfördereinheit mit einem Fluideingang der nächsten Fluidfördereinheit verbunden wird.
Wie schon erwähnt, eignet sich die erfindungsgemäße Aufheizeinrichtung insbesondere als Dampferzeuger für Wasserdampf. Dabei bildet ein Fluideingang einen Niederdruckdampfeingang und ein weiterer Fluideingang einen Speisewassereinlaß. Ein solcher Dampferzeuger ist erfindungsgemäß Teil eines Dampfmotors. Er kann einem Verbrennungsmotor derart zugeordnet sein, daß Abgas des Verbrennungsmotors zur Beheizung der Rufheizflächen genutzt wird, so daß auf diese Weise die im Abgas noch vorhandene Wärmeenergie, die ansonsten verloren wäre, genutzt wird. Eine solche Kombination aus Verbrennungsmotor und Dampfmotor ist an sich aus der DE 196 10 382 A1 bekannt. Bei dieser Kombination sind Verbrennungsmotor und Dampfmotor als auf dieselbe Kurbelwelle wirkende Kolbenmaschinen ausgebildet und in der Weise miteinander gekoppelt, daß das Abgas des Verbrennungsmotors die Verbrennungseinrichtung des Dampfmotors beaufschlagt, die das Heizgas für die Rufheizung des Speisewassers und des Dampfs erzeugt. Dabei wird die Verbrennung durch einen Katalysator bewirkt.
Eine solche indirekte Beheizung der Aufheizflächen über das Abgas ist auch bei dem Dampfmotor nach der vorliegenden Erfindung möglich, indem eine Verbrennungseinrichtung des Dampfmotors, die das Heizgas für die Rufheizung des Speisewassers und die Beheizung der Aufheizflächen erzeugt, mit Abgas beaufschlagt wird. Statt dessen oder auch in Kombination damit können die Aufheizflächen auch direkt von dem Abgas des Verbrennungsmotors beaufschlagt werden. In beiden Fällen ist die Anordnung des Dampfmotors in der Auspuffanlage des Verbrennungsmotors und hier vor allem nach dem Katalysator und im Bereich des Schalldämpfers besonders zweckmäßig und platzsparend, zumal hierdurch die Wärmeenergie im Abgas weitgehend verlustfrei genutzt werden kann. Dabei bietet es sich an, den Dampfmotor so anzuordnen, daß er von dem Abgas umströmt wird.
Der Dampfmotor hat vorzugsweise einen Abtrieb, der mit dem vom Verbrennungsmotor ausgehenden Antriebsstrang mechanisch verbunden ist, wobei es nicht darauf ankommt, an welcher Stelle die Einkopplung der Antriebsleistung des Dampfmotors erfolgt.
Die Anordnung der Einzelteile des Dampfmotors können so getroffen werden, daß in Strömungsrichtung nacheinander der Dampferzeuger, eine Rotationsmaschine zur Expansion und/oder Kompression des Dampfs und ein Siedebehälter angeordnet werden. Diese Anordnung ist insbesondere für den Einbau in die Auspuffanlage eines Verbrennungsmotors zweckmäßig. Die Rotationsmaschine kann beispielsweise eine Kreiskolbenmaschine sein (vgl. DE 201 10 553 U1 ). Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Dampfmotor dem Verbrennungsmotor derart zugeordnet ist, daß die Wärme des Abgases und/oder des Kühlwassers des Verbrennungsmotors zur Beheizung des Siedebehälters genutzt wird.
In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine Flügelzelleneinheit der erfindungsgemäßen Aufheizeinrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines Dampfmotors unter Verwendung der Flügelzelleneinheit gemäß 1;
3 den Einbau des Dampfmotors gemäß 2 in das Auspuffrohr einer Verbrennungsmaschine.
Die in 1 dargestellte Aufheizeinrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf, von dem hier nur die hintere Stirnwand 3 und die Umfangswandung 4 zu sehen ist. Die vordere Stirnwand, die den Innenraum des Gehäuses 2 abschließt, ist weggelassen.
In den beiden Stirnwandungen 3 gelagert ist ein Flügelzellenrad 5, das eine walzenförmige Nabe 6 aufweist, die in Richtung des Pfeils A um eine Drehachse 7 verdrehbar ist, welche koaxial zu einer Antriebswelle für den Antrieb des Flügelzellenrades 5 liegt. Die Nabe 6 wird von einem hier nicht näher dargestellten Motor angetrieben.
Die Nabe 6 weist insgesamt zwölf Radialschlitze – beispielhaft mit 8 bezeichnet – auf, die sich von der Drehachse 7 radial nach außen erstrecken und in dieser Richtung hin offen sind. Sie sind gleichmäßig über den Umfang der Nabe 6 verteilt. In den Radialschlitzen 8 sind Lamellen – beispielhaft mit 9 bezeichnet – radial verschieblich gelagert. Mit ihren äußeren Kanten – beispielhaft mit 10 bezeichnet – liegen sie an der Umfangswandung 4 an. Gleichzeitig haben sie mit ihren sich radial erstreckenden Seitenkanten Kontakt zu den beiden Stirnwänden 3. Auf diese Weise ergibt sich jeweils zwischen zwei Lamellen 9 ein von diesen Lamellen 9, den zugehörigen Umfangsanteil der Nabe 6, der Umfangswandung 4 und den Stirnwänden 3 eingeschlossenes im wesentlichen abgedichtetes Zellvolumen – beispielhaft mit 11 bezeichnet –, so daß insgesamt zwölf Zellvolumina 11 gebildet werden.
Die Lamellen 9 werden bei einer Drehbewegung des Flügelzellenrads 5 aufgrund der auf sie einwirkenden Fliehkräfte, unterstützt durch den Druck in den Zellvolumina 11, nach außen in Richtung auf die Umfangswandung 4 gedrückt, wobei innerhalb der Radialschlitze 8 Federn vorhanden sein können, die dies unterstützen und eine Anlage der Lamellen 9 an der Umfangswandung 4 auch im Stillstand gewährleisten.
Die Umfangswandung hat eine strenge Kreisform, deren Mittelachse in der Drehachse 7 des Flügelzellenrads 5 liegt. Das Flügelzellenrad 5 ist also in dem Gehäuse 2 zentrisch angeordnet. Bei einer Umdrehung des Flügelzellenrads 5 ändern sich also die Zellvolumina 11 nicht.
Die erfindungsgemäße Aufheizeinrichtung 1 ist als Dampferzeuger ausgebildet. Über die Umfangswandung 4 mündet ein Niederdruckdampfeingang 12 und (Pfeil A) danach eine Speisewassereinspritzdüse 13, und zwar so in Drehrichtung versetzt, daß die Speisewassereinspritzdüse 13 in ein Zellvolumen 11 einspritzt, das keine Verbindung mehr zum Niederdruckdampfeingang 12 hat. Über den Niederdruckdampfeingang 12 strömt Dampf mit einem Druck p₃ und einer Temperatur T₃ ein, wobei die Temperatur durch vorherige Kompression des Dampfs so hoch ist, daß das danach über die Speisewassereinspritzdüse 13 eingespritzte Speisewasser 14 teilweise spontan verdampft, wodurch sich der Druck in den Zellvolumina 11 isochor erhöht.
In Drehrichtung danach bilden die Umfangswandung 4 und die Stirnwände 3 Rufheizflächen 15, über die der in den Zellvolumina 11 in Drehrichtung des Flügelzellenrads 5 mitgeführte Dampf erhitzt wird. Hierzu werden die Rufheizflächen 15 von einer Wärmequelle – symbolisiert durch den Pfeil B – beaufschlagt. Bei dieser Wärmequelle kann es sich um von einer Verbrennungseinrichtung erzeugtes Heißgas oder um Abgas eines Verbrennungsmotors handeln, das außenseitig auf den Bereich des Gehäuses 2 auftrifft, das die Aufheizfläche 15 bildet. Dabei kann die Beaufschlagung des Gehäuses 2 mit einer Wärmequelle über den Umfang der Umfangswandung 4 bis zu einem Hochdruckdampfausgang 16 fortgeführt werden. Über diesen Hochdruckdampfausgang 16 tritt hochgespannter Dampf mit einem Druck p₁ und einer Temperatur T₁ aus, die beide erheblich über den Druck p₃ bzw. der Temperatur T₃ am Niederdruckdampfeingang 12 liegen. Dieser hochgespannte Dampf kann in einer Expansionsmaschine technisch genutzt werden (vgl. 2).
Zwischen Hochdruckdampfausgang 16 und Niederdruckdampfeingang 12 ist ein Druckentlastungsausgang 17 vorgesehen. Dieser dient dazu, den noch in dem Zellvolumen nach dem Überstreichen des Hochdruckdampfausgangs 16 verbliebenen Druck zu entspannen, so daß ein Zurückschlagen in den Niederdruckdampfeingang 12 vermieden wird. Damit es insoweit nicht zu Verlusten kommt, mündet der Druckentlastungsausgang 17 bypassartig in dem Niederdruckdampfeingang 12, wobei zwischen beiden eine hier nicht näher dargestellte Drossel angeordnet ist, die den Druck p₂ abbaut.
In 2 ist die Aufheizeinrichtung 1 gemäß 1 als Teil eines schematisch dargestellten Dampfmotors 21 dargestellt, wobei zur Beschreibung der Aufheizeinrichtung 1 auf das Vorstehende Bezug genommen wird.
Der Dampfmotor 21 hat einen Siedebehälter 22, in dem sich Speisewasser 23 befindet. Der Siedebehälter 21 wird von einer Wärmequelle – symbolisiert durch den Pfeil D – beaufschlagt. Hierbei kann es sich um Abgas eines Verbrennungsmotors und/oder um ein von einer Verbrennungseinrichtung des Dampfmotors 21 erzeugten Heißgases handeln. Zusätzlich oder statt des Abgases des Verbrennungsmotors kann auch Kühlwasser zur Erwärmung des Speisewassers 23 auf eine Temperatur von ca. 100°C herangezogen werden.
von dem Siedebehälter 22 geht eine Speisewasserleitung 24 zu der Speisewassereinspritzdüse 13. In der Speisewasserleitung 24 sitzt eine Speisewasserpumpe 25, die das Speisewasser 23 aus dem Siedebehälter 22 zu der Speisewassereinspritzdüse 13 mit einem Druck von z.B. 15 bar fördert.
Von dem oberen Bereich des Siedebehälters 22 geht eine Dampfleitung 26 aus, die zu einer Flügelzelleneinheit 27 führt. Sie ist ähnlich ausgebildet wie die Aufheizeinrichtung 1, weist also ein Gehäuse 28 auf, von dem nur die hintere Stirnwand 29 und die Umfangswandung 30 zu sehen sind. Die vordere Stirnwand, die den Innenraum des Gehäuses 28 abschließt, ist weggelassen.
In den beiden Stirnwandungen 29 ist ein Flügelzellenrad 31 gelagert, das eine walzenförmige Nabe 32 aufweist, die in Richtung des Pfeils C um eine Drehachse 33 verdrehbar ist, welche koaxial zur Antriebswelle für den Antrieb eines Verbrauchers liegt. Die Nabe 32 ist mit der Antriebswelle drehfest verbunden.
Die Nabe 32 weist insgesamt zwölf Radialschlitze – beispielhaft mit 34 bezeichnet – auf, die sich von der Drehachse 33 radial nach außen erstrecken und in dieser Richtung hin offen sind. Sie sind gleichmäßig über den Umfang der Nabe 32 verteilt. In den Radialschlitzen 34 sind Lamellen – beispielhaft mit 35 bezeichnet – radial verschieblich gelagert. Mit ihren äußeren Kanten – beispielhaft mit 36 bezeichnet – liegen sie an der Umfangswandung 30 an. Gleichzeitig haben sie mit ihren sich radial erstreckenden Seitenkanten Kontakt zu den beiden Stirnwänden 29. Auf diese Weise ergibt sich ein jeweils zwischen zwei Lamellen 35 ein von diesen Lamellen 35, den zugehörigen Umfangsanteil der Nabe 32, der Umfangswandung 30 und den Stirnwänden 29 eingeschlossenes Zellvolumen – beispielhaft mit 37 bezeichnet –, so daß insgesamt zwölf Zellvolumina 37 gebildet werden.
Die Lamellen 35 werden bei einer Drehbewegung des Flügelzellenrads 31 aufgrund der auf sie einwirkenden Fliehkräfte und unterstützt durch den Druck in den Zellvolumina 37 nach außen in Richtung auf die Umfangswandung 30 gedrückt, wobei innerhalb der Radialschlitze 34 Federn vorhanden sein können, die dies unterstützen und eine Anlage der Lamellen 35 an der Umfangswandung 30 auch im Stillstand gewährleisten.
Die Umfangswandung 30 hat im wesentlichen eine Kreisform mit einer Mittelachse 38. Die Drehachse 33 ist gegenüber der Mittelachse 38 um eine Exzentrizität nach oben verschoben. Dies hat zur Folge, daß sich die Zellvolumina 37 bei einer Umdrehung des Flügelzellenrads 31 – ausgehend von einem oberen Totpunkt 39 bis zu einem unteren Totpunkt 40 – vergrößern und dann in der zweiten Hälfte der Umdrehung bis zum oberen Totpunkt 39 wieder verkleinern.
Die Umfangswandung 30 hat jedoch keine ideale Kreisform. In einem ersten Winkelbereich, ausgehend von dem oberen Totpunkt 39 in Drehrichtung (Pfeil A), verlaufen der Mantel der Nabe 32 und die Umfangswandung 30 konzentrisch zur Drehachse 33, also parallel zueinander. Über diesen ersten Winkelbereich verändert sich also das Zellvolumen 37 nicht. Erst danach geht die Umfangswandung 30 in eine Kreisform um die Mittelachse 38 über.
Über die Dampfleitung 26 wird in Drehrichtung (Pfeil C) nach dem unteren Totpunkt 40 gerade gesättigter Dampf aus dem Siedebehälter 22 in den Innenraum der Flügelzelleneinheit 27 geleitet. Mit Umdrehung des Flügelzellenrades 31 wird dieser Dampf aufgrund der sich dann verkleinernden Zellvolumina 11 verdichtet. Über einen Niederdruckdampfausgang 41 und eine Niederdruckdampfleitung 42 gelangt der Dampf zu dem Niederdruckdampfeingang 12 mit einer Temperatur von beispielsweise von T₃ = 300°C und einem Druck von p₃ = 6 bar. In diesen Dampf wird das Speisewasser 23 über die Speisewassereinspritzdüse 13 eingespritzt und verdampft teilweise spontan. Der Dampf wird – wie oben beschrieben – über die auf die Rufheizflächen 15 wirkende Wärmequelle (Pfeil B) erhitzt, wobei auch der Druck weiter ansteigt, und tritt über den Hochdruckdampf ausgang 16 beispielsweise mit einer Temperatur T₁ = 500°C und einem Druck p₁ = 20 bar aus.
Über eine Hochdruckdampfleitung 43 und einen Hochdruckdampfeingang 44 gelangt der Dampf kurz hinter dem oberen Totpunkt 39 in den Innenraum der Flügelzelleneinheit 27 bzw. in die Zellvolumina 37. Dabei bleibt – wie oben beschrieben – das Zellvolumen 37 zunächst konstant. Erst nach einem vorgegebenen Drehwinkel vergrößern sich die Zellvolumina 37, und der eingeleitete Dampf expandiert und treibt auf diese Weise das Flügelzellenrad 31 und damit die Drehachse 33 an, welche mit der Drehachse 7 der Aufheizeinrichtung 1 verbunden ist. Der expandierte Dampf tritt über den Abdampfauslaß 45 kurz vor dem unteren Totpunkt 40 aus und wird über eine Abdampfleitung 46 einem Kondensator 47 zugeführt. In dem Kondensator 47 befindet sich ein Wärmeaustauscher 48, der von Kühlwasser durchströmt wird, so daß der einströmende Abdampf soweit abkühlt, daß er kondensiert. Die dabei entstehende Abwärme ist durch den Pfeil E symbolisiert. Das kondensierte Wasser wird mittels einer Pumpe 49 und einer Zuführleitung 50 wieder in den Siedebehälter 22 zurückgeführt.
Zwischen Hochdruckdampfausgang 16 und Niederdruckdampfeingang 12 befindet sich der Druckentlastungsausgang 17. In einer anschließenden Druckentlastungsleitung 52 wird der Druck des noch verbliebenen Dampfes in einer Drossel 53 beispielsweise auf p₂ = 3 bar und T₂ = 500°C reduziert und der Dampf in die Niederdruckdampfleitung 42 gegeben und damit dem Niederdruckdampfeingang 12 zugeleitet.
Es versteht sich, daß die Expansion des Dampfs auch mehrstufig erfolgen kann, indem hintereinander mehrere Flügelzelleneinheiten auf einer Antriebswelle angeordnet werden und der Abdampfauslaß 45 unter Zwischenschaltung einer Zwischenüberhitzungseinheit mit dem Hochdruckdampfeingang einer weiteren Flügelzelleneinheit 27 verbunden wird usw.
In 3 ist – ebenfalls schematisch – der Dampfmotor 21 in ein Auspuffrohr 53 eines hier nicht dargestellten, üblichen Verbrennungsmotors für Kraftfahrzeuge eingebaut. Das Auspuffrohr 53 strömt in Richtung der Pfeile F zunächst durch einen Katalysator 54 und dann in ein sich erweiterndes Gehäuse 55. In dem Gehäuse 55 ist der Dampfmotor 21 z. B. anstelle eines Schalldämpfers so eingebaut, daß in Strömungsrichtung gesehen (Pfeile F) zunächst die Aufheizeinrichtung 1 angeordnet und demgemäß von dem Abgas angeströmt wird. Der Aufheizeinrichtung 1 nachgeschaltet ist die Flügelzelleneinheit 27, wobei deren Flügelzellenräder 5, 31 auf einer gemeinsamen Antriebswelle 56 sitzen. Die Antriebswelle 56 tritt am anderen Ende der Flügelzelleneinheit 27 aus und ist dort über eine Antriebskette 57 mit einer Antriebswelle 58 – hierbei kann es sich auch um die Getriebehauptwelle des dem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Getriebes handeln – verbunden. Die Expansionsleistung der Flügelzelleneinheit 27 unterstützt also die Leistung des Verbrennungsmotors.
In Strömungsrichtung (Pfeil F) gesehen hinter der Flügelzelleneinheit 27 ist der Siedebehälter 22 angeordnet. Auch er ist von dem Abgas des Verbrennungsmotors beaufschlagt. Zusätzlich kann auch Kühlwasser zur Erwärmung des Speisewassers 23 in dem Siedebehälter 22 herangezogen werden, so daß das im Siedebehälter 22 befindliche Speisewasser 23 eine Temperatur von ungefähr 100°C hat.

Claims

Aufheizeinrichtung (1) zum Aufheizen wenigstens eines Fluids mit einem Aufheizgehäuse (2), das wenigstens einen Fluideingang (12, 13) und wenigstens einen Fluidausgang (16) sowie Rufheizflächen (15) aufweist, über die das Fluid mittels einer Wärmequelle (Pfeil B) erhitzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizgehäuse (2) Teil von wenigstens einer Fluidfördereinheit (1) mit einem Fluidförderkörper (5) ist, der drehbar in dem Aufheizgehäuse (2) gelagert ist und durch dessen von einem Antrieb bewirkten Drehbewegung das Fluid vom Fluideingang (12, 13) an den Rufheizflächen (15) vorbei zum Fluidausgang (16) transportierbar ist.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidförderkörper (5) mit dem Aufheizgehäuse (2) mehrere, voneinander getrennte Zellvolumina (11) ausbildet, in denen das Fluid transportierbar ist.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellvolumina (11) über den Umfang des Fluidförderkörpers (5) verteilt sind.
Aufheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidfördereinheit(en) als Schneckenförderer, Zahnradförderer, Drehkolbenförderer oder Rollkolbenförderer ausgebildet ist bzw. sind.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidfördereinheit(en) jeweils als Flügelzelleneinheit (1) mit einem in dem Aufheizgehäuse drehbaren Flügelzellenrad (5) ausgebildet ist, dessen Lamellen (9) zwischen sich Zellvolumina (11) einschließen.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelzellenrad (5) gegenüber dem Aufheizgehäuse (12) mit einer derartigen Exzentrizität angeordnet ist und/oder das Aufheizgehäuse (2) derart geformt ist, daß sich die Zellvolumina (11) vom Bereich des Fluideingangs bzw. der Fluideingänge (12, 13) bis zum Fluidausgang (16) bzw. den Fluidausgängen verkleinern.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelzellenrad (5) gegenüber dem Aufheizgehäuse (2) mit einer derartigen Ex zentrizität angeordnet ist und/oder das Aufheizgehäuse (2) derart geformt ist, daß sich die Zellvolumina (11) zwischen Fluidausgang (16) und Fluideingang (12, 13) vergrößern und danach wieder verkleinern.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität einstellbar ist.
Aufheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Drehrichtung zwischen Fluidausgang (16) und Fluideingang (12, 13) ein Druckentlastungsausgang (17) vorgesehen ist.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckentlastungsausgang (17) mit zumindest einem Fluideingang (12) über eine Drossel verbunden ist.
Aufheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Fluideingänge als Gasfluideingang (12) für den Eintritt eines gasförmigen bzw. dampfförmigen Fluids und als Flüssigfluideingang (13) für den Eintritt eines zumindest teilweise flüssigen und/oder dampfförmigen Fluids (14) ausgebildet sind.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasfluideingang (12) mit dem Dampfaustritt eines Siedebehälters (22) und der Flüs sigfluideingang (13) mit dem Flüssigkeitsaustritt des Siedebehälters (22) verbunden sind.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Dampfaustritt und Gasfluideingang (12) ein Verdichter (27) ist.
Aufheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Aufheizgehäuse (2) Aufheizflächen (15) im Bereich zwischen Fluideingang (12, 13) und -ausgang (16) gebildet werden.
Aufheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Aufheizflächen (15 ) von der Nabe (6) des bzw. der Fluidförderkörper(s) (5) gebildet werden.
Aufheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Fluidförderkörper (5) einen Antrieb mit Drehzahlsteuerung aufweist bzw. aufweisen.
Aufheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Welle nebeneinander mehrere Fluidfördereinheiten angeordnet sind, wobei der Fluidausgang einer Fluidfördereinheit mit einem Fluideingang der nächsten Fluidfördereinheit verbunden ist.
Aufheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizeinrichtung (1) als Dampferzeuger für Wasserdampf ausgebildet ist, wobei ein Fluideingang einen Niederdruckdampfeingang (12) und ein weiterer Fluideingang einen Speisewassereinlaß (13) bilden.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (1) Teil eines Dampfmotors (21) ist.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor (21) einem Verbrennungsmotor derart zugeordnet ist, daß Abgas des Verbrennungsmotors zur Beheizung der Rufheizflächen (15) genutzt wird.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor (21) in der Auspuffanlage (53) des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor (21) in der Auspuffanlage (53) derart angeordnet ist, daß er vom Abgas umströmt ist.
Aufheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor (21) einen Abtrieb (56) aufweist, der mit dem vom Verbrennungsmotor ausgehenden Antriebsstrang (58) verbunden ist.
Aufheizeinrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des Abgases nacheinander der Dampferzeuger (1), eine Rotationsmaschine (27) zur Expansion und/oder Kompression des Dampfs und ein Siedebehälter (22) angeordnet sind.
Aufheizeinrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor (21) einem Verbrennungsmotor derart zugeordnet ist, daß Wärme des Abgases und/oder des Kühlwassers des Verbrennungsmotors zur Beheizung des Siedebehälters (22) genutzt wird.