DE2803953A1

DE2803953A1 - Verfahren zur verbesserung des wirkungsgrades bei dampfkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2803953A1
Application number: DE19782803953
Authority: DE
Inventors: Alexander Kueckens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-01-30
Filing date: 1978-01-30
Publication date: 1979-08-02

Description

Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei Dampfkraftmaschinen

Wegen des schlechten Wirkungsgrades werden Kolbendampfmaschinen nur noch in Ausnahmefällen eingesetzt. Sie sind durch die bessere Dampfturbine ersetzt worden. Aber auch der Wirkungsgrad der Dampfturbine liegt unter 50 %, insbesondere dann, wenn die Dampfenergie durch Kohleverbrennung gewonnen wird. Dampfturbinen haben gegenüber den Kolbendampfmaschinen mehrere Vorteile. U.a. ist hierbei wesentlich, daß sie ohne hin- und herbewegende lassen arbeiten, außerordentlich schnell sind und weniger; Dampf verbrauchen. Beide Dampfkraftmaschinensysteme benutzen den Dampfdruck als Antriebsmittel. Der relativ niedrige Wirkungsgrad ist maßgebend dadurch beeinflußt, daß nur die Dampfexpansion allein als Antriebsenergie wirkt. Die Volumenkontraktion bei Abkühlung und die frei werdende Wärme bei Kondensation sind Energievorgänge_f die sich praktisch nach Ausstoß "des entspannten Dampfes in der Atmosphäre abspielen.

Die nachstehend beschriebene Erfindung will die geschilderten Nachteile bezüglich des schlechten Wirkungsgrades dadurch erheblich verbessern, indem die Volumenkontraktion ausgenutzt wird, die beim Abkühlen des Dampfes bis zum Kondensationspunkt erzielt wird. Gleichzeitig soll die frei werdende Kondensationswärme wieder als Energie dem zu erhitzenden Verdampfungsmedium zugeführt werden.

Die erste Kolbendampfmaschine, die praktisch durch Implosion betrieben wurde, baute der Marburger Professor Papin im Jahre 1690. Bei dieser I&schine wurde der Kolben durch den atmosphärischen Druck wieder in die Ausgangslage gedrückt, nachdem der Dampf durch Einspritzen mit kaltem Wässer in dem Zylinder kondensiert war. Dieses Verfahren

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wurde von dem Engländer Newcomen im Jahre 1705 verbessert. Die erste praktisch brauchbare Dampfmaschine konstruierte James Watt 1769. Von der damals entwickelten Maschine wurden die grundlegenden Punktionsmerkmale für die folgende Periode bis zum heutigen Tage übernommen. Beide Verfahren Volumerikonfcraktion durch Abkühlung des Dampfes sowie Volumenexpansion durch Erhitzung des Aggregatszustandes Wasser in Dampf - sind daher als bekannt vorauszusetzen, in der Technik aber nie sinnvoll angewandt worden. Die Erfindung, die den Wirkungsgrad durch Anwendung beider Prinzipien verbessern will, beruht darauf, daß das zu erwärmende Msdium, beispielsweise Wasser, durch einen Verdichter mit Expansionsorgan, also einer Wärmepumpe, über deren Verflüssigerstufe erhitzt wird und dem zu erhitzenden Msdium Wasser zusätzlich mit konventionellen Heizmitteln .die Wärmeenergie zugeführt wird, die dieses Medium für den Verdampfungszustand benötigt. Die beim Siedepunkt entstehenden Expansionsdämpfe werden anschließend in bekannter Weise einer Kolbenkraftmaschine oder einer Dampfturbine für deren Antrieb zugeleitet. Die nach Entspannung frei werdenden heruntergespannten Dämpfe werden nicht in die Atmosphäre eingeleitet, sondern durch ein Kreislauf system der Verdampferseite des Verdichters zugeführt.

Wird ein Kolbenprinzip eingesetzt, so tritt durch plötzliche Abkühlung der Effekt ein, der 1690 durch den Marburger Professor Papin erzielt wurde. Die Innenwandung eines als Zylinder ausgebildeten Kontraktionsraumes ist ein Teil des Verdampfers. Durch plötzlich einsetzende Abkühlung wird die damit verbundene Volumenkontraktion direkt oder indirekt über eine zweite Arbeitsstufe in Bewegung umgewandelt.Der gleiche Verdampferraum führt zusätzlich die mit dem Kondensationsprozeß frei werdende Wärmeenergie wieder ab und diese wird zur

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Erhitzung des Wassers im Expansionsraum über den Verflüssiger des Verdichters wieder eingespeichert. Durch ein solches Kreislaufsystem wird der Wirkungsgrad bei Dampfkraftmaschinen erheblich verbessert.

Es entsteht durch diese Kombination eine ideale Dampf- respektive Gaskraftmaschine, die eine erhöhte Ausnutzung der zugeführten Wärmeenergie durch Elektrizität oder Verbrennung verschiedener Brennstoffe (Kohle, Gas, OeI) gewährleistet. Da durch den Kondensationsprozeß praktisch destilliertes Wasser entsteht, kann dieses durch Rückführung in den Verdampfungsraum ebenfalls im Kreislauf eingesetzt werden.

Nach dem heutigen Stand der Technik werden Kondensatoren eines Verdichters maximal auf 75° C erhitzt. Es braucht also nur die für die Verdampfungsstufen notwendige Zusatzheizungsenergie mit konventionellen Mitteln aufgebracht werden, um den ständigen Kreislauf über zwei Arbeitsstufen (Expansion, Kontraktion) mit gleichzeitiger optimaler Wanneenergieausnutzung zu gewährleisten.

Es ist ersichtlich, daß das angewandte Verfahren verschiedenen Modifikationen unterworfen werden kann, so z.B., daß die Kontraktion durch plötzliche Abkühlung über die Verdampfungsstufe eines Verdichters direkt auf eine einzige Arbeitsstufe als Energie einwirken kann. Das bedeutet z. B., daß Schub- und Saugkraft in einer Kraftmaschine ausgenutzt werden. Immer soll aber das angemeldete Prinzip des Einsatzes einer Wärmepumpe in Dattpfkraftmaschinen geschützt bleiben.

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Bei beigefügte Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des beschriebenen Verfahrens:

1 stellt einen Kesselraum dar, der auch aus mehreren Kammern bestehen kann, wobei die eine Kcirner mit konventioneller Heizenergie 9 und die andere Kamtier mit der Verflüssigerstufe 10 eines Verdichters 5 ausgerüstet wird. Der expandierende Dampf wird in eine Arbeitsstufe 2 eingeleitet, die beispielsweise mit einem Generator verbunden ist. Nach Verlassen der Arbeitsstufe wird der heruntergespannte Dampf einer Kontraktionskanmer 3 zugeführt, die über ein Expansionsorgan 6 mit dem Verdampfer 7 des Verdichters 5 verbunden ist. Die Konteaktionskamrner 3 kann die einsetzende Volumenreduzierung direkt in Arbeit umwandeln. Es ist aber ebenfalls möglich, den Unterdruck an eine Arbeitsstufe 4 weiterzuleiten, um hier in mechanische Energie umgesetzt zu werden. Der Verdampfer 7 des Verdichters zieht die zugeführte Wärmeenergie und die bei Kondensation entstehende Wärme ab und führt diese über den Verdichter 5 an die Verflüssigerstufe 10 weiter. Die Verflüssigerstufe führt die Wärmeenergie erneut dem Kesselraum 1 zu. Über 8 wird dem Verdichter elektrische Energie zugeführt.

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Claims

O Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer Dampfkraftmaschine, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

1. Der zur Dampferzeugung vorgesehene Kesselraum einer Dampfkraftmaschine wird mit der Verflüssigerseite des Verdichters einer Wärmepumpe zur Wärmeeinspeisung verbunden.

2. Die zur Verdampfung vorgesehene Soll-Temeratur wird durch Zusatz-Erhitzung mit konventionellen Heizmethoden erzielt.

3. Der im Kesselraum entstehende Naß-, Satt- oder Heißdampf wird üblicherweise zum Antrieb einer Dampfkraftmaschine (Dampfkolben-, Dampfturbinenmaschinej eingeleitet.

4. Der nach Antriebsleistung frei werdende heruntergespannte Dampf wird einer Kraftmaschine zu derem direkten oder indirekten Antrieb, im Gegensatz zur Expansionsenergie der ersten Stufe, durch Volumenkontraktion als Antriebsenergie zugeführt.

5. Der Innenraum der Unterdruck erzeugenden Kontraktianskammer wird mit der Verdampferseite des Verdichters der Wärmepumpe über deren Expansionsorgan so verbunden, daß die Innenwandung der Unterdruckkammer großflächig gekühlt wird und der eintretende heruntergespannte Dampf schlagartig durch Volumenkontraktion und anschließender Kondensation reagiert.

6. Die beim Verfahrensschritt 5 anfallende Kondensationswärme wird über den Verdampfer des Verdichters der Wärmepumpe dem Verflüssiger derselben zur Beheizung des Kesselraumes erneut zugeführt.

7. Die Wärmeenergie des Kondensats wird nach Verfahrensschritt 6 ganz oder teilweise dem Kesselraum zugeführt und nach Erreichen einer bestimmbaren Temperatur des Destillats automatisch abgeleitet.

8. Verfahrensschritte 1-7 werden analog eingesetzt für flüssige Madien mit anderen Verdampfungspunkten als Wasser.

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