DE202006015204U1

DE202006015204U1 - Dampfmotor

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Publication number: DE202006015204U1
Application number: DE200620015204
Authority: DE
Original assignee: KASSNER DANIEL
Current assignee: KASSNER DANIEL
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2006-10-05
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2016-10-06

Abstract

Dampfmotor (7) (Verdrängermaschine, wie z. B. Hub-, Dreh-, Kreis-, Flügelkolbenmotor oder Strömungsmaschine, z. B. Dampfturbine), der als Verdrängermaschine Steuerorgane (8 und 9) besitzt (z.B. Kolben, - Rund, -Drehschieber, Ventile) und/oder über Bohrungen, Schlitze oder Kanäle vom Kolben gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor über eine Rohrleitung (2) mit einem vorgeschalteten Verdampfer (1) verbunden ist, der eine zu verdampfende Flüssigkeit (vorzugsweise Wasser) enthält und mittels einer Heizquelle (6) beheizt wird, der Verdampfer (1) über eine weitere Rohrleitung (4) mit einem Flüssigkeitsbehälter (3) in Verbindung steht, sich innerhalb der Rohrverbindung (4) zwischen dem Verdampfer (1) und dem Flüssigkeitsbehälter (3) ein mit einer Feder (10) belastetes Saugventil (5) befindet.

Description

Das Bestreben nach dezentraler Energieversorgung mit kompakten, vielstoffähigen Motor-Generator-Einheiten hat Stirlingmotoren und Dampfmotoren wieder in den Mittelpunkt des Interesses gerückt.
Die oftmals favorisierten Stirlingmotoren besitzen den Nachteil hoher Anschaffungskosten bei geringer Leistungsausbeute.
Dampfmotoren können zwar in einem größeren Leistungsbereich realisiert werden, benötigen aber umfangreiche Zusatzeinrichtungen (Dampfkessel mit den entsprechenden Armaturen, Speisewasserbehälter, Speisewasservorwärmer, Speisepumpen, teure Brenner-und Regeltechnik). Die Kosten einer solchen Anlage sind also bei dem relativ kleinen Leistungsbedarf einer dezentralen Hausstromversorgung (kleiner 10 kw) ebenfalls nicht vertretbar.
Als besondere Kostenfaktoren wirken hier die Teile Dampfkessel, Speiseeinrichtungen und elektronische Steuerungs und Regeltechnik. Hinzu kommt noch das hohe Gefahrenpotenzial, das einem unter Druck stehenden Dampfkessel mit mehreren hundert Litern bis auf über 200°C aufgeheizten Wassers innewohnt (Dampfkesselzerknall!).
Für dieses Problem gibt es bereits praktizierte Lösungen (Durchlauferhitzerkessel, die jedoch auch Speiseeinrichtungen und teure Regeltechnik benötigen) sowie Lösungsvorschläge in Form von Dampfmotoren mit einem integrierten oder separaten kleinen Verdampfer, in den einmal pro Umdrehung Wasser eingespritzt wird und damit genau so viel Dampf entsteht, wie der Dampfmotor für einen Arbeitshub benötigt ( DE 100 55 524 A1 ).
Diese Lösung funktioniert jedoch nicht, da die große eingespritzte Wassermenge bei z. B. mehr als 500 U/min den Verdampfer so weit abkühlt, daß nach kurzer Zeit kein Dampf mehr entsteht. Die daraus resultierende notwendige Vergrößerung der Heiz-bzw. Wärmeübergangsfläche erbringt ebenfalls keine Funktionssicherheit, da sich dadurch der schädliche Raum vergrößert und dieser durch den entstehenden Dampf nicht mit der notwendigen Druckerhöhung ausgefüllt werden kann. In jedem Falle ist hier eine komplizierte Einspritzpmpe mit teurer Regelungstechnik notwendig.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Dampfmotor zu schaffen, der ohne separate Speise- oder Einspritzpumpe mit der damit verbundenen teuren Steuerungs-und Regelungstechnik auskommt, der sehr preisgünstig hergestellt werden kann, der sicher funktioniert und einfach in der Bedienung ist.
Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Mit der Erfindung wird erreicht, daß der Dampfmotor sich die zu verdampfende Flüssigkeit automatisch und zeitgenau selbst in den Verdampfer saugt und daß eine funktionshemmende Abkühlung des Verdampfers nicht stattfindet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Unteransprüchen dargestellt.
Ein Ausführungsbeispiel wird an Hand der Zeichnung erläutert.
Der Dampfmotor 7 (Verdrängermaschine, wie z. B. Hub-, Dreh-, Kreis-, Flügelkolbenmotor oder Strömungsmaschine, z. B. Dampfturbine) besitzt einen vorgeschalteten kleinen Verdampfer 1 mit einem der Größe des Dampfmotors angemessenen Volumen und möglichst großer Heizfläche. Dieser Verdampfer 1 wird von einer Flamme 6 beliebigen Brennmaterials oder mit sonstigen wärmeerzeugenden Stoffen oder Chemikalien von innen oder von außen beheizt. Die Beheizung kann mittelbar oder unmittelbar erfolgen (mittelbar z. B. durch einen primären Kreislauf in dem ein aufgeheiztes Medium zirkuliert und dabei seine Wärme an die Verdampferflüssigkeit abgibt). Im Inneren des Verdampfers 1 befindet sich eine bestimmte Menge Wasser oder einer sonstigen verdampfbaren Flüssigkeit. Möglich sind auch Mischungen sonstiger Flüssigkeiten untereinander oder Mischungen sonstiger Flüssigkeiten mit Wasser.
Vom Verdampfer 1 führt eine Rohrleitung 2 zum Dampfmotor 7, der als Verdrängermaschine Steuerorgane besitzt (z. B. Kolben-,Rund-,Drehschieber; Ein-und Auslaßventile 8u. 9) und/oder über entsprechende Bohrungen, Schlitze oder Kanäle vom Kolben gesteuert wird.
Der Dampfmotor kann als Hubkolbenmaschine einfach wirkend oder doppelt wirkend sein.
Die zum Dampfmotor führende Rohrleitung 2 hat ihren Ausgang am oder im Verdampfer 1 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Verdampfers.
Eine weitere Rohrverbindung 4 führt vom Verdampfer 1 zu einem Flüssigkeitsbehälter 3, der als Speisebehälter fungiert. Dieser Behälter kann auch ein natürliches Sammelbecken sein (See, Fluß usw.), sollte aber mit der freien Atmosphäre in Verbindung stehen. Die eben beschriebene weitere Verbindung 4 kann an beliebiger Stelle in den Verdampfer 1 münden. Innerhalb dieser weiteren Verbindung 4 zwischen dem Verdampfer 1 und dem Flüssigkeitsbehälter 3 befindet sich ein Saugventil 5. Dieses Saugventil öffnet bei Unterdruck im Verdampfer 1 und schließt bei Überdruck im Verdampfer, jeweils selbsttätig. Das Saugventil kann an beliebiger Stelle in der Verbindung 4 zwischen Verdampfer 1 und Flüssigkeitsbehälter 3 angeordnet sein, vorzugsweise jedoch direkt vor dem Verdampfer.
Die Funktion ist Folgende:
Der mit einer bestimmten Menge der zu verdampfenden Flüssigkeit (z. B. Wasser) gefüllte Vedampfer 1 wird mit einer geeigneten Heizquelle (z. B. Gasflamme) erhitzt. Solange noch kein Dampf da ist, wird das Ventil 5 durch eine Feder 10 auf seinen Sitz gepresst (das Ventil 5 kann grundsätzlich auch ohne Federbelastung auskommen, je nach Anordnung), so daß keine durchgehende Verbindung zwischen Verdampfer 1 und dem Speisebehälter 3 besteht. Die Flüssigkeit verdampft nun, es entsteht Überdruck im Verdampfer 1 und der Dampf strömt zum Dampfmotor 7. Der Motor wird angeworfen (bei Mehrzylindermaschinen und Dampfturbinen auch selbstanlaufend) und erreicht eine bestimmte Drehzahl. Die Drehzahl kann durch Drosselventile oder- schieber, durch ändern der Steuerzeiten oder durch Veränderung der Verdampfertemperatur geregelt werden.
Nach einer bestimmten Zeitdauer ist die Flüssigkeit im Verdampfer 1 vollständig verdampft. Der Dampfmotor verbraucht den noch vorhandenen Restdampf, der Druck im Verdampfer sinkt, zunächst bis auf Atmosphärendruck. Durch die Trägheit seiner bewegten Massen (z. B. in Form eines Schwungrades) läuft der Dampfmotor nun mit abnehmender Drehzahl nach und erzeugt dabei einen Unterdruck in der Rohrleitung 2 zwischen Dampfmotor und Verdampfer (Diese Pumpwirkung im Leerlauf tritt bei allen Dampfmotoren und Dampfmaschinen der oben beschriebenen Art einschließlich Dampfturbinen auf.).
Der Unterdruck setzt sich bis in den Verdampfer 1 fort und bewirkt ein Öffnen (Ansaugen) des Saugventiles 5 vor dem Verdampfer, wodurch neues Speisewasser (oder sonstige Speiseflüssigkeit, siehe oben) aus dem Flüssigkeitsbehälter 3 in den Verdampfer 1 gesaugt wird. Da der Verdampfer nach wie vor beheizt wird, verdampft die angesaugte Flüssigkeit schlagartig, der Druck im Verdampfer steigt an. Durch den entstehenden Überdruck wird das Saugventil 5 wieder auf seinen Sitz zurückgedrückt und der Speisevorgang ist beendet. Der entstandene Dampf strömt wieder zum Dampfmotor und der Zyklus beginnt erneut. Es sei ausdrücklich erwähnt, daß der Dampfmotor nicht zwischendurch stehenbleibt, sondern während des gesamten Prozesses in Bewegung ist. Er läuft jedoch entsprechend der zyklischen Dampfentwicklung pulsierend.
Die Speiseflüssigkeit kann zu Beginn vor der Inbetriebnahme der Heizquelle 6 durch mehrmaliges Durchdrehen des Dampfmotors 7 in den Verdampfer 1 gesaugt werden. Es ist aber auch möglich, den Dampfmotor dadurch zu starten, daß der Verdampfer 1 zunächst ohne Speiseflüssigkeit durch die Wärmequelle 6 erhitzt wird, der Dampfmotor dann angeworfen wird und durch den entstehenden Unterdruck die Speiseflüssigkeit in den Verdampfer 1 gelangt, wo sie augenblicklich verdampft und den Dampfmotor in Gang setzt.
Um die Speisemenge unabhängig von der Dauer des Unterdruckes genau zu bemessen, kann zwischen Speisebehälter 3 und Saugventil 5 eine Schwimmerkammer o. Ä. angeordnet werden.
Es ist weiterhin zweckmäßig, die Speiseflüssigkeit mit der Abwärme der Wärmequelle oder dem Abdampf des Dampfmotors außerhalb des Verdampfers vorzuwärmen.
Der Nachteil der zyklischen Dampferzeugung und damit des pulsierenden Laufes des Dampfmotors kann in der Praxis durch entsprechende Maßnahmen gemindert werden (bei Stromerzeugung mittels angetriebenem Generator etwa durch Kondensatoren, um die Spannungsschwankungen durch die unterschiedlichen Drehzahlen auszugleichen oder durch Speisung einer Batterie).
Der beschriebene Dampfmotor kann sowohl als Auspuffmaschine als auch mit Abdampfkondensation und Kondensatrückspeisung betrieben werden.
Es sind ein und mehrzylindrige Motoren möglich, wobei bei letzteren jeder Zylinder einen separaten Verdampfer haben aber auch ein Verdampfer mehrere Zylinder versorgen kann.
Der große Vorteil der Erfindung liegt in ihrer Einfachheit und damit billigen Herstellbarkeit, da folgende Teile einer herkömmlichen Dampfanlage wegfallen:

– Dampfkessel
– Sicherheitsventile (Sicherheitsventile können aber optional verwendet werden und sind dann am Verdampfer 1 oder am Verbindungsrohr 2 anzubringen)
– Wasserstandanzeiger
– separate Speisepumpen
– komplizierte Steuerungs-und Regelungselektronik

Aufgrund des geringen Volumens des Verdampfers erfolgt die Dampfentwicklung auch zu Beginn des Prozesses sehr schnell, so daß der Dampfmotor ohne lange Anheizzeit sofort beriebsbereit ist.
Die Vorteile bezüglich der erwähnten DE 100 55 524 A1 sind außerdem folgende:

– Der Verdampfer kann nicht mehr so weit abkühlen, daß die Dampfentwicklung ausbleibt.
– Eine Einspritzpumpe mit der entsprechenden Steuerungselektronik ist nicht mehr notwendig, da der Dampfmotor die Speiseflüssigkeit durch Pumpwirkung zeitgenau selbst in den Verdampfer saugt.
– Eine größtmögliche Einfachheit und Betriebssicherheit der gesamten Dampfanlage ist gewährleistet.

Der beschriebene Dampfmotor ist nicht gefährlicher als ein herkömmlicher Verbrennungsmotor, da die entstehenden Drücke zwar hoch sind, sich im Verdampfer aber stets nur eine geringe Flüssigkeitsmenge befindet, so daß eine nennenswerte und gefährliche Nachverdampfung bei einem Druckabfall durch Platzen des Verdampfers nicht erfolgt (Kesselzerknall bei herkömmlicher Dampfanlage).
Das beschriebene System ist vielstoffähig, es können also prinzipiell alle bekannten Brenn-und Treibstoffe verwendet werden.
Durch die kontinuierliche äußere Verbrennung ist der Dampfmotor außerdem extrem schadstoffarm.
Mögliche Anwendungen sind Folgende:

– Stromerzeugung durch angetriebenen. Generator (vorzugsweise bei dezentraler Energieversorgung im unteren Leistungsbereich, einschließlich der Möglichkeit der Kraft-Wärme-Kopplung)
– Bedingt zum Antrieb von Fahrzeugen und Werkmaschinen
– Antrieb von Pumpen und Kompressoren
– verschiedene Anwendungen im Modellbau

Claims

Dampfmotor (7) (Verdrängermaschine, wie z. B. Hub-, Dreh-, Kreis-, Flügelkolbenmotor oder Strömungsmaschine, z. B. Dampfturbine), der als Verdrängermaschine Steuerorgane (8 und 9) besitzt (z.B. Kolben, - Rund, -Drehschieber, Ventile) und/oder über Bohrungen, Schlitze oder Kanäle vom Kolben gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor über eine Rohrleitung (2) mit einem vorgeschalteten Verdampfer (1) verbunden ist, der eine zu verdampfende Flüssigkeit (vorzugsweise Wasser) enthält und mittels einer Heizquelle (6) beheizt wird, der Verdampfer (1) über eine weitere Rohrleitung (4) mit einem Flüssigkeitsbehälter (3) in Verbindung steht, sich innerhalb der Rohrverbindung (4) zwischen dem Verdampfer (1) und dem Flüssigkeitsbehälter (3) ein mit einer Feder (10) belastetes Saugventil (5) befindet.
Dampfmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (2) ihren Ausgang am oder im Verdampfer (1) oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Verdampfers (1) hat.
Dampfmotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (2) aus einem Rohr oder einem Kanal oder aus mehreren Rohren oder mehreren Kanälen besteht.
Dampfmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsbehälter (3) ein Tank, eine Wanne oder ein natürliches Sammelbecken, wie ein Fluß oder ein See, ist.
Dampfmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (4) an beliebiger Stelle in den Verdampfer (1) mündet.
Dampfmotor nach Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Saugventil (5) ohne zusätzliche Feder (10) ausgeführt wird.
Dampfmotor nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Saugventile (5) hintereinander angeordnet sind.
Dampfmotor nach den Ansprüchen 1, 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (4) zwischen dem Verdampfer (1) und dem Flüssigkeitsbehälter (3) aus mehreren Rohrleitungen/Kanälen besteht und jede der Rohrleitungen/Kanäle mit mindestens je einem Saugventil (5) ausgerüstet ist.
Dampfmotor nach den Ansprüchen 1, 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rohrleitungen/Kanäle vom Flüssigkeitsbehälter (3) ausgehend in ein mit mindestens einem Saugventil (5) bestücktes Rohrbestückten Kanal münden und dieses eine Rohr/dieser eine Kanal in den Verdampfer mündet.
Dampfmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (1) von außen oder von innen unmittelbar beheizt wird.
Dampfmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (1) durch einen primären Wärmekreislauf mittelbar beheizt wird.
Dampfmotor nach den Ansprüchen 1, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Verdampfer (1) Wasser oder eine sonstige verdampfbare Flüssigkeit ist oder aus Mischungen dieser sonstigen Flüssigkeiten untereinander oder Mischungen dieser sonstigen Flüssigkeiten mit Wasser besteht.
Dampfmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Flüssigkeitsbehälter (3) und dem Saugventil (5) eine Vorrichtung zur genauen Dosierung der in den Verdampfer (1) einzubringenden Flüssigkeitsmenge angeordnet ist, vorzugsweise eine Schwimmerkammer.
Dampfmotor nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 5, 11, 12, 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (1) aus einer Rohrschlange besteht, deren eines Ende mit der Rohrleitung (2) verbunden ist und deren anderes Ende an die mit einem Saugventil (5) bestückte Rohrleitung (4) anschließt.
Dampfmotor nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (1) über mehrere Rohrleitungen (2) mit mehreren Zylindern bei Hubkolbenmaschinen, mehreren Kammern bei sonstigen Verdrängermaschinen oder mehreren Gehäusen bei Strömungsmaschinen verbunden ist.
Dampfmotor nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylinder bei Hubkolbenmaschinen, mehrere Kammern bei sonstigen Verdrängermaschinen oder mehrere Gehäuse bei Strömungsmaschinen mit je einem Verdampfer (1) mit zugehörigem Saugventil (5), Rohrverbindung (4) zum Flüssigkeitsbehälter (3) und Heizquelle (6) verbunden sind.
Dampfmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (1) aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht.
Dampfmotor nach den Ansprüchen 1, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Heizfläche und Volumen des Verdampfers (1) möglichst groß ist.
Dampfmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor (7) als Hubkolbenmaschine einfach wirkend oder doppelt wirkend ist.
Dampfmotor nach den Ansprüchen 1 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsregelung des Dampfmotors (7) durch Drosselorgane zwischen dem Verdampfer (1) und dem Dampfmotor (7), durch Veränderung der Steuerzeiten des Dampfmotors oder Änderung der Verdampfertemperatur erfolgt.
Dampfmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor (7) als Auspuffmaschine oder mit Abdampfkondensation und Kondensatrückspeisung betrieben wird.
Dampfmotor nach den Ansprüchen 1, 10, 11, 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseflüssigkeit mit der Abwärme der Heizquelle (6) oder dem Abdampf des Dampfmotors (7) vor Eintritt in den Verdampfer (1) vorgewärmt wird.
Dampfmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (1) oder die Rohrleitung (2) mit einem oder mehreren Sicherheitsventilen versehen sind.
Dampfmotor nach den Ansprüchen 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfmotor (7) aus mehreren Zylindern bei Hubkolbenmaschinen, mehreren Kammern bei sonstigen Verdrängermaschinen oder mehreren Gehäusen bei Strömungsmaschinen in Verbundanordnung (mehrfache Dampfdehnung) besteht.
Dampfmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsbehälter (3) an beliebiger Stelle angeordnet ist, vorzugsweise jedoch über dem Verdampfer (1).