DE2415338A1

DE2415338A1 - Mobile dampfmaschine mit energiespeicher

Info

Publication number: DE2415338A1
Application number: DE2415338A
Authority: DE
Inventors: Dean Thomas Morgan
Original assignee: Thermo Electron Corp
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 1973-03-30
Filing date: 1974-03-29
Publication date: 1974-10-17
Also published as: CA1001018A; US3830063A; JPS49128102A

Description

29. März I974

THERMO EUECTRQN CORPORATION, Valtham (Mass.) V. St. A.

Mobile Dampfmaschine mit Energiespeicher

Bei Dampfmaschinen, insbesondere, wenn sie in Fahrzeugen od. dgl. eingesetzt werden, treten häufig Spitzenbelastungen auf, die erheblich höher als die Belastungen unter normalen Fahrbedingungen sind. Bei Maschinen mit offenem Kreislauf wird kein Kondensator im System vorgesehen, und der Dampf oder das Arbeitsfluid strömt nach der Leistungsabgabe in die Atmosphäre ab. Da das abgelassene Druckmittel . ersetzt werden muß, ist ein großer Speicherbehälter für das Arbeitsfluid notwendig, der durch das von der Maschine angetriebene Fahrzeug transportiert werden muß.

Maschinen mit geschlossenem Kreislauf besitzen einen Konden-

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sator, in dem das dampfförmige Arbeitsfluid in flüssiges überführt wird, um nochmals als Arbeitsmittel im Maschinenzyklus eingesetzt zu werden. Um den.Spitzenbelastungen Rechnung zu tragen, wird bei herkömmlichen Maschinen einfach die Kapazität des Kondensators entsprechend dieser auftretenden Spitzenbelastungen ausgelegt. Im speziellen Fall von dampfgetriebenen Fahrzeugen muß die Maschine schnell beschleunigen Kinnen, wobei die für derartige starke Beschleunigungsstöße erforderliche Antriebskraft sehr viel höher als die für einen Antrieb bei annähernd gleichbleibender Geschwindigkeit ist. Die Maschine muß für kurze Zeitspannen Antriebskräfte erzeugen, die weit über den Maximalkräften für Dauerbetrieb liegen. Die luftgekühlten, herkömmlich eingesetzten Kondensatoren von Maschinen der gattungsgemäßen Art weisen eine Kapazität auf, die den Spitzenbelastungen und nicht den Dauerbelastungen entspricht. Dies ist jedoch eine unzweckmäßig überspitzte Lösung des Problems, weil die zusätzliche Kühlkapazität des großen Kondensators nicht voll ausgenutzt wird.

Große Kondensatorausführungen sind auch noch aus anderen Gründen nachteilig · In verschiedenen Kraftfahrzeugen sind das zulässige Motorgewicht und seine Abmessungen sowie häufig auch die Motorausgestaltung begrenzt. Darüber hinaus verringert sich auch die Motorleistung, weil die parasitären Luft- und Kühlverluste mit größerwerdenden Kondensatoren ansteigen. Schließlich ist ein größerer Kondensator auch teurer.

Die Erfindung bezieht sich auf als Fahrzeugantriebe geeignete Dampfmaschinen. Erfindungsgemäß wird die Kapazität des primären Maschinen-

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kondensators unter die für Spitzenbelastungen notwendige gesenkt. Die im Hochleistungsbetrieb auftretende, die Kapazität des primären Kondensators übersteigende Wärmemenge des Arbeitsfluides wird durch ein Flüssigkeit enthaltendes Sekundär-Kühlsystem absorbiert. Auf diese Weise wird die Belastung des Primärkondensators verringert.

Bei einer Ausführung des sekundären Kühlsystems strömt das Arbeitsfluid durch einen in eine Flüssigkeit eingetauchten Wärmetauscher einer luftgekühlten Speicher kamm er. Diese Flüssigkeit kühlt zum Teil das Arbeitsfluid und verringert dadurch die Belastung desKondensators. Die von der Flüssigkeit aufgenommene Wärme wird durch die Wände der Kammer abgeführt. Kühlrippen oder Anström-Kühlvorrichtungen werden zur Vergrößerung der Wärmeabfuhr geschwindigkeit der Kammer eingesetzt. Da die Überschußwärme bei Hochleistungsbetrieb schnell durch die Flüssigkeit absorbiert werden und geringerer Geschwindigkeit im unteren Dauerbetrieb frei wird, ist die Größe der Gesamtkühlfläche des primären Kondensators und des sekundären Kühlsystems geringer als bei einem einzigen herkömmlichen Kondensator.

Das thermische Speicher-Kühlsystem ist für verschiedene Dampfmaschinenausführungen geeignet. Je nach seiner Anordnung im System kann es das Arbeitsfluid vor oder nach Durchströmen des ersten Kondensators kühlen, oder es kann in Reihe mit jeder Kondensator stufe geschaltet werden. Je nach den spezifischen Anforderungen kann es auch durch einfache Ventile in Tätigkeit gesetzt werden.

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Bei einer anderen Ausführung gemäß der Erfindung wird eine in einem Drucktank gespeicherte Flüssigkeit gegen die Kühlflächen des Kondensators bei Hochleistungsbedingungen gesprüht, um seine Kühlleistung zu vergrößern. Es ist auch möglich, dieses System mit dem thermischen Speicher-Kühlsystem zu kombinieren, um auch den unterschiedlichsten Anforderungen zu genügen. Die Anwendung einer Sekundärkühlung gemäß der Erfindung in einer Fahrzeug-Dampfmaschine verringert die notwendige Größe des primären Maschinenkondensators erheblich. Das Motorgewicht wird reduziert, der Raum beibehalten und die Kondensatorkosten werden geringer. Da auch die parasitäre Kondensatorbelastung kleiner wird, steigt die Motorleistung an.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Dampfmaschine mit Sekundärkühlung,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Kondensators mit dem ihm zugeordneten Sekundärkühlsystem,

Fig I 3 eine schematische Darstellung eines Kondensators mit seinem Sekundärkühlsystem,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer anderen Kondensatorausführung mit Sekundärkühlung,

Fig. 5 eine schematische Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 4,

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Fig. 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Kondensators mit seinem Sekundär kühl system.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Dampfmaschine vird Arbeitsfluid in einem Kessel 2 verdampft, aus dem es über eine Leitung 4 zu einer Entspannungs-Arbeitsmaschine strömt. Das noch gasförmige Fluid gelangt von der Arbeitsmaschine 6 über eine Leitung 8 in einen Regenerator 10, in dem es teilweise in einem Wärmetauscher 12 gekühlt wird. Das noch immer gasförmige Fluid strömt aus dem Regenerator 10 durch eine Leitung 14 in einen weiteren Wärmetauscher 18 eines Sekundär-Kühlsysterns 19. Der Wärmetauscher 18 ist in einer Flüssigkeit 20, z.B. Wasser oder einem Gemisch aus Wasser und einem schwer flüchtigen Gefrierschutzmittel, eingetaucht, mit der eine luftgekühlte Speicherkämmer 16 gefüllt ist. Die Flüssigkeit 20 nimmt die Wärme aus dem Fluid auf, wenn es durch den Wärmetauscher 18 strömt. Die Kammer 16 ist mit einem Entlüftungsventil 22 und einem Anströmmechanismus 40 versehen. Das Arbeitsfluid gelangt aus der Kammer 16 über eine Leitung 24 in einen Kondensator 26. Das kondensierte Fluid fließt durch eine Leitung 30 in eine Förderpumpe 32, von der es durch eine Leitung 34 in den Regenerator 10 gedrückt wird, in welchem es einen weiteren Wärmetauscher 36 durchströmt und die durch den Wärmetauscher 12 abgezogene Wärme aufnimmt. Derart vorgewärmt gelangt es über eine Leitung 38 in den Kessel 2, wodurch der Kreislauf geschlossen ist.

Im Dauerbetrieb bei oder unterhalb einer vorgegebenen maximalen Dauerleistung besteht ein Temperaturgleichgewicht der Flüssig-

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keit 20, bei dem die Geschwindigkeit der Wärmeaufnahme aus dem Wärmetauscher 20 gleich der Geschwindigkeit der Wärmeabführung durch die Wände 17 der Kammer 16 ist. Der Luftstrom um die Kammer 16 und den primären Kondensator 26 wird normalerweise durch ein Gebläse und durch den Druckunterschied bei der Fahrzeugbewegung erzeugt. Die Geschwindigkeit der Wärmeabführung durch die Wände 17 kann vergrößert und das Temperaturgleichgewicht der Flüssigkeit 20 gesenkt werden, wenn die wirksamen Flächen der Wände 17 vergrößert oder wenn Luftpralldüsen 40 an der Auf Strömseite der Kammer 16 vorgesehen werden. Der Kondensator 26 und die Kammer 16 erfüllen die Kühl-Anforderungen der Maschine bei gleichförmiger maximaler Leistungsabgabe im Dauerbetrieb.

Bei jedem kurzzeitig die konstante Kühlkapazität der Maschine übersteigenden Leistungsanstieg wird mehr Wärme erzeugt als sofort abgeführt werden kann. Im sekundären Kühlsystem 19 ist eine ausreichende Flüssigkeitsmenge enthalten, um diese überschüssige Wärmeenergie aufzunehmen und zu speichern. Der Wärmetauscher 18 ist so ausgelegt, daß er die gesamte überschüssige Energie an die Flüssigkeit 20 abgeben kann. Um eine Verflüchtigung der Flüssigkeit 20 zu verhindern und eine notwendige Reservemenge beizubehalten, muß eine ausreichende Flüssigkeitsmenge im Behälter 16 vorhanden sein, damit die Temperatur in keinem Fall den Siedepunkt der Flüssigkeit erreicht. Bei einem durchschnittlichen Gesamtwirkungsgrad von 15 % und einer 15 Sekunden dauernden Spitzenbelastung von ca. 50 PS über der maximalen Dauerleistung muß beispielsweise die Flüssigkeit 20 eine zusätzliche Wärmemenge von ca. 3000 BTU aufnehmen

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können. Die für das sekundäre Kühlsystem 19 notwendige minimale Wassermenge würde in diesem Fall ca. 45 1 betragen, und zwar bei einer Erwärmung von 4,4 C in ihrem Erwärmungsbereich bei ungünstigsten Bedingungen. Ist jedoch eine Verringerung der Messungen der Kammer 16 von Bedeutung, dann kann die latente Wärmekapazität der Flüssigkeit 20 ausgenutzt werden.

Die von der Flüssigkeit 20 bei Hochleistung aufgenommene Wärme wird durch die Wände 17 der Kammer 16 während längerer Perioden unter geringeren Leistungsbedingungen abgeführt. Die kurzzeitige große Erwärmung kann daher schnell vom sekundären Kühlsystem 19 aufgenommen und langsam während einer ruhigeren und im allgemeinen längeren Zeitspanne zwischen den kurzzeitigen Hochleistungsperioden abgaführt werden. Demzufolge ist die Kühlkapazität des Primärkondensators 26 wesentlich geringer als sie bei einem einzigen alleinbetriebenen Kondensator sein müßte. Darüber hinaus ist der kombinierte notwendige Kühlflächenbereich des Kondensators 26 und des Speicher-Kühlsystems 19 kleiner als bei einem einzigen allein wirksamen Kondensator.

Wie in Fig. 1 gezeigt, befinden sich die Kammer 16 und der Kondensator 26 auf annähernd der gleichen Stufe. Falls das sekundäre Kühlsystem 19 das Arbeitsfluid in unerwünschter Weise vollständig rückkondensiert, kann dies durch die Ausführungen nach Fig. 4 und 5 verhindert werden. Über eine Leitung 14 gelangt hier das Arbeitsfluid in eine erste Stufe 21 des Kondensators 26. Nach Durchlaufen dieser Kondensatorstufe strömt es in eine Kühlsystem stufe. Aus dem Kühl-

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system strömt es durch eine nachfolgende Stufe 23 des Kondensators. Der Kondensator 26 und das Kühlsystem 19 können so konstruiert sein, daß diese Folge einmal (d. h. die Strömung verläuft in jeder Stufe in parallelen Kanälen) oder wiederholt (d. h. die Strömung verläuft durch eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten Kondensator-Kühlsystem stufen) auftritt.

Obwohl es vorteilhaft ist, so wenig wie möglich Ventile in einer Dampfmaschine vorzusehen, sind bei der Ausführung nach Fig. 3 Ventile 42 und 48 am Zu- bzw. Ablauf des sekundären Kühlsystems eingeschaltet, um die Menge an in diesem Sekundärsystem notwendiger Flüssigkeit und das Temperaturgleichgewicht der Flüssigkeit 20 zu verringern. Bei diesem System leitet das Ventil 42 die Arbeitsflüssigkeit im Normalbetrieb durch eine Leitung 44 direkt in den Kondensator 26. Wenn jedoch die Maschine mit Über leistung arbeitet, die die Kondensatorkapazität übersteigt, dann öffnen die Ventile 42 und 48, so daß das gesamte oder ein Teil des Arbeitsfluides in das Sekundärkühlsystem strömen kann und sich so die Belastung verringert, die andernfalls auf den Kondensator wirken würde.

Bei einer - nicht gezeigten - Ausführung ist das sekundäre Kühlsystem direkt in Reihe mit dem Kondensator 26 geschaltet, wobei das ArbeitsfJuid jedoch zuerst durch den Kondensator 26 strömt. Hier ist wiederum das Temperaturgleichgewicht der wärmeabsorbierenden Flüssigkeit 20 kleiner und eine geringere Menge an Flüssigkeit für das Sekundärkühlsystem 19 notwendig. Da jedoch das Arbeitsfluid in der Schlange 18 bereits kondensiert sein kann, wird eine größere Menge

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an Arbeitsfluid durch die Maschine mitgeschleppt als es sonst notwendig ist.

In der in Fig. 6 gezeigten weiteren Ausführung ist der Kondensator 26 für die maximale Dauer leistung des Systems ausgelegt, wobei das Arbeitsfluid jedoch nicht durch ein sekundäres Kühlsystem geführt wird. Statt dessen ist ein Absorptionsflüssigkeit wie z.B. Wasser enthaltender Drucktank 54 dem Kondensator zugeordnet. Wird die Maschine mit einer die Kondensatorkapazität übersteigenden Leistung betrieben, dann spricht ein Steuerorgan 52 an, welches ein Ventil 50 betätigt, durch das die Absorptionsflüssigkeit über Leitungen 56 und 58 in Form von Sprühstrahlen 62 abfließt. Die Sprühstrahlen 62 prallen auf den Kondensator 26, verdampfen an ihm und vergrößern dadurch seine Kühlkapazität erheblich. Da das Absorptionsfluid bei einer Berührung mit der Kondensatorschlange verdampft, trägt die latente Wärme des Absorptionsfluides wesentlich zur Kühlwirkung bei. Eine Kombination des Sprühsystems und irgendeinen der anderen oben beschriebenen Ausführungen kann zur Erweiterung des Bereiches der Betriebsbedingungen vorteilhaft sein.

Bei allen Ausführungen gemäß der Erfindung ist die gesamte für die Dampfmaschine erforderliche Kühlfläche geringer als bei bekannten Systemen. Die überflüssige Kühllast der Maschine verringert sich, und ihre Leistung steigt. Darüber hinaus verringert sich auch die notwendige Kühlkapazität eines Kondensators bei einem Auto-Dampfantrieb, wodurch sich erhebliche Vorteile hinsichtlich der Abmessungen, des Gewichtes und der Kosten ergeben. Dadurch können die weitest-

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gehend verschmutzungsfrei arbeitenden Dampfmaschinen mit geschlossenem Kreislauf für Kraftfahrzeuge realisiert werden.

Verschiedene Abwandlungen der obigen Konstruktionen können im Rahmen der oben beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Erfindung vorgenommen werden, die jedoch nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist.

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Claims

Patentansprüche

■ 1.< Dampfmaschine, bei welcher ein Arbeitsfluid in einem Kessel verdampft, zu einem Expansionsaggregat gefördert, in einem Kondensator verflüssigt und dann wieder in den Kessel eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (26) für eine vorbestimmte kontinuierliche Leistung der Maschine (6) ausgelegt ist und daß ein zweites Kühlsystem (19) vorgesehen ist, in welchem eine Kühlflüssigkeit (20) das Arbeitsfluid mit einer höheren Geschwindigkeit als der vorgegebenen abkühlt, die auch einem höheren Leistungsniveau der Maschine entspricht.
2. Dampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sekundäre Kühlsystem (19) eine luftgekühlte Speicher kamm er (16) zur Aufnahme des Absorptionsfluides (20) und einen mit dem Kondensator verbundenen Wärmetauscher (18) enthält, der zumindest teilweise in die Absorptionsflüssigkeit (20) eintaucht, wobei an der Flüssigkeitskammer (16) Einrichtungen (40) für eine Steigerung des Wärmetausches vorgesehen sind.
3. Dampfmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16, 19) zwischen dem Expansionsaggregat (6) und dem Kondensator (26) angeordnet ist.
4. Dampfmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

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der Wärmetauscher (17, 19) zwischen dem Kondensator (26) und dem Kessel (2) angeordnet ist.
5. Dampfmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ventile (42, 48) zur Umsteuerung des Arbeitsfluides durch den Wärmetauscher (19) vorgesehen sind, die von auf die Kühlfordernisse der Maschine ansprechenden Meßfühlern betätigt werden.
6. Dampfmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (40) zum Wärmeaustausch an der Kammer (16) aus einem Pralldüsen-Wärmetauscher (40) bestehen.
7. Dampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärkühlsystem einen mit Absorptionsfluid gefüllten Drucktank (54) und mit dem Tank verbundene Sprühdüsen (60) enthält, durch die zur Vergrößerung der Kühlkapazität des Kondensators (26) die Absorptionsflüssigkeit gegen die Außenwand des Kondensators gesprüht wird.
8. Dampfmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Ventile (50) zwischen dem Drucktank (54) und den Sprühdüsen (60) angeordnet sind, die durch Meßfühler (52) entsprechend den Kühlerfordernissen der Maschine betätigt werden.
9. Dampfmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Wärmetauschers (18) zwischen den Stufen eines Mehrstufenkondensators (26) angeordnet ist.

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