EP0896140A1

EP0896140A1 - Neuer Dampfmotor mit integrierter Kondensation

Info

Publication number: EP0896140A1
Application number: EP97113660A
Authority: EP
Inventors: Rüdiger GRAF VON GÖRTZ; Ulrich Finger
Original assignee: Von Gortz & Finger Techn Entwicklungs Gesmbh
Current assignee: Von Gortz & Finger Techn Entwicklungs Gesmbh
Priority date: 1997-08-07
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 1999-02-10

Abstract

Der erfinderisch neue Dampfmotor (1) besitzt eine integrierte Kondensation. Nach Beendigung des Arbeitshubes, wird kaltes Wasser in feinster Form eingedüst. Das dabei entstehende Vakuum erlaubt eine bessere Ausnutzung der eingebrachten Energie aus fossilen- oder nachwachsenden Rohstoffen. Die Keramikkammer (15) zur Erzeugung des Flashdampfes befindet sich unmittelbar am Dampfmotor (1), so daß eine kompakte Bauweise möglich ist, die auch in Container eingebaut werden kann. Durch die langzeitliche Hochtemperaturverbrennung in der Heißwasserkammer (10) ergeben sich gute Abgaswerte, so daß eine Nachbehandlung nicht erforderlich ist. Erfinderisch neue Auslaßventile (2) erlauben einen selbststeuernden Betrieb, da diese Ventile (2) durch den Dampfdruck gesteuert werden. Diese Ventile (2) können auch bei doppelseitig beaufschlagten Kolbenmaschinen eingesetzt werden. <IMAGE>

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Einheit Dampf zu erzeugen und in einem Kolbenmotor in mechanische Energie umzuwandeln.

Die Dampferzeugung wird dadurch erreicht, daß mit einem handelsüblichen Brenner gasförmige oder flüssige Brennstoffe in einer Brennkammer aus keramischen Material oder Hochhitzebeständigen Stahl verbrannt werden. Dabei entstehen in der Brennkammer Temperaturen von über 1.000°C.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß Schwachgase wie Biogas, Deponiegas oder Holzgas über einen längeren Verbrennungszeitraum bei sehr hoher Temperatur verbrannt werden. Restliche Schadstoffe die sich nach der Reinigung der Gase noch in diesen befinden sollten, werden bei den hohen Temperaturen und über die Dauer der Verbrennungszeit gecrackt.

Für die Dampferzeugung wird Flashdampf verwendet, daß bedeutet, um die Keramikbrennkammer befindet sich ein Wassermantel. Dieses Wasser wird auf Heißwasser überhitzt und dann dem Expansionsraum des Dampfmotors zugeführt, wo es verdampft. Der entspannte Dampf wird von dem Kolben durch die geöffneten Ventile wieder ausgestoßen.

Fig.1 zeigt einen solchen Dampfmotor. Durch die Regelstecke 13 wird dem Brenner 14 Brennstoff zugeführt. In der Keramikbrennkammer 15 wird der Brennstoff verbrannt und Heißwasser erzeugt. Die Anzeigegeräte 16 Thermometer und 17 Manometer geben den Istzustand des Heißwassers an.

Sollte der gewünschte Druck in der Heißwasserkammer überschritten werden, wird über das Sicherheitsventil 18 abgeblasen. Der Drucksensor 11 mißt den tatsächlichen Druck in der Heißwasserkammer und steuert über den Regler 10 die Druckhaltepumpe.

Über dem Schwungrad 2 befindet sich der Winkelgeber 4 , der über das Steuergerät 5 die Magnetventile 6 ansteuert. Am Steuergerät 5 kann der Zeitpunkt und die Dauer für das Öffnen der Magnetventile 6 eigestellt werden.

Der Dampfmotor 1 treibt über das Schwungrad 2 den Generator 3 an, der den erzeugten Strom in das Netz einspeist. Der entspannte Dampf, der vom Kolben durch die geöffneten Ventile ausgestoßen wird, gelangt in den Kondensator 7, wo er kondensiert wird und in den darunter angeordneten Speisewasserbehälter 8 abfließt. Aus diesem Speisewasserbehälter 8 saugt die Druckhaltepumpe 9 das Speisewasser an und drückt es in die Heißwasserkammer 15.

Für die Wärmeerzeugung wird Kaltwasser von unten in den Kondensator 7 gepumpt wo es durch die Wärmeabgabe des entspannten Dampfes vorgewärmt wird. Anschließend strömt das vorgewärmte Wasser in den Wärmetauscher 12, in dem es die Abgase aus der Brennkammer 15 abkühlt. Als Warmwasser kann dieses einer weiteren Nutzung zugeführt werden.

Da es sich bei dieser Anlage um ein geschlossenes System handelt, können dem Speisewasser Zusatzstoffe, Additive, Ammoniak NH³ beigemischt werden. Damit ist zu erreichen, daß die Viscosität verbessert wird, geringere Korrisionsschäden auftreten oder durch die Beimischung von NH³ der Siedepunkt erheblich herabgesetzt wird. ( Salmiakgeist )

Eine solche Anlage kann überall als BHKW eingesetzt werde da alle flüssigen und gasförmigen Brennstoffe verwendet werden können. Durch die Nachverbrennung bei sehr hohen Temperaturen ergeben sich sehr gute Abgaswerte, so daß keine Abgasnachbehandlung durch Rußfilter oder Katalysator erfolgen muß.

Ferner arbeitet diese Anlage ruhig, da keine Explosion des Brennstoffes statfindet, sondern nur die Expansion des Flashdampfes .

Fig.2 zeigt einen Dampfmotor, der auch mit Flashdampf betrieben wird. Dieser wird in der Heißwasserkammer 10 erzeugt.
Dieser Dampf wird von der Hochdruckpumpe 1 nachverdichtet und dem jeweiligen Zylinder durch Einspritzdüsen 3 zugeführt. Der Flashdampf entspannt blitzartig in dem Expansionsraum und drückt den Kolben 7 nach unten. Dabei gibt der Kolben 7 die Kraft auf die Kurbelwelle ab.

Der entspannte Dampf wird dann von den Kolben 7 durch geöffneten Ventile 2 in die Abdampfleitung 5 gedrückt. Die Nockenwelle 4 ist durch einen Zahnriemen mit der Kurbelwelle 1:1 verbunden, so daß beim Erreichen des Kolbens von UT das Ventil 4 öffnet. Dabei muß die Nockenwelle 4 die Ventilfeder zusammendrücken und es geht Kraft verloren.

Fig.3 zeigt ein selbsttätig arbeitendes Auslaßventil, daß durch den Dampfdruck gesteuert wird. Wie in der Fig.4 dar gestellt ist, arbeitet das Ventil wie folgt:

1) Bei der Stellung OT wird Dampf in den Hohlraum eingesprüht. Dadurch baut sich über dem Kolben 2 ein Druck auf, der über die Baypaßleitung 3 den Steuerkolben 4 gegen den Federdruck 5 nach unten drückt. Damit ist der obere Auslaßschlitz 7 geschlossen und der expandierende Dampf drückt den Kolben 2 nach unten.

2) Der Kolben 2 hat bei einem Kurbelwinkel von 165° die Oberkante der unteren Aulaßöffnung erreicht. Bis dahin wirkt der volle Dampfdruck auf den Kolben 2.

3) Beim Erreichen des UT ist die untere Öffnung völlig offen und der Restdampf kann entweichen.Dadurch baut sich der Druck im Zylinder 1 und in der Baypaßleitung 3 ab, so daß die Feder 5 den Steuerkolben 4 nach oben drückt. Damit ist auch die obere Öffnung 7 zum Asströmen des Restdampfes offen.

4) Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 wird der Rest dampf bis zu einem Kurbelwinkel von 315° durch die obere Öffnung 7 ausgestoßen. Da sich in der Baypaßleitung 3 kein Druck aufbauen kann, bleibt der Steuerkolben 4 durch den Federdruck 5 geöffnet. Auf dem Weg zum OT wird durch den Kolben 2 die obere Öffnung 7 verschlossen.

5=1) Der Arbeitstakt beginnt von vorne.

Fig.5-6 Um eine bessere kinetische Energie aus der Expansion des Dampfes zu erreichen, ist es möglich, durch Kaltwassereinspritzung eine Kondensation des Naßdampfes direkt im Zylinder zu erreichen.

Dieser Dampfmotor kann, als eine der Möglichkeiten, in liegender Ausführung gebaut werden, da es sonst beim Erreichen des Kolbens von OT zu Wasserschlägen kommt, die den Dampfmotor beschädigen würden.

Fig.5+6 Zeigt ein Kugelventil, daß für den Auslaßvorgang geeignet wäre.Bild 1 Beim Einprühen des Dampfes durch die Düse 8 wird Druck auf das Ventil 1 und den Steuer-Kolben 4 erzeugt. Dadurch schließen beide gegen die Feder 3. Bild 1 und Fig.6 Bild 1 Der Dampf expandiert und drückt den Kolben 11 in Richtung Kurbelwelle.

Fig.6 Bild 2 Nach Erreichen von UT wird durch die Düse 9 kaltes Wasser eingespritzt, so daß der Naßdampf kondensiert. Durch das Kondensieren des Dampfes im Zylinder 12 entsteht in diesem ein Vakuum, daß den Kolben 10 zurückzieht.Fig.5 Bild 2 Dadurch wird auch die Kugel nach oben gesaugt, so daß durch das geöffnete Ventil 1 kein Speisewasser angesaugt werden kann.

Fig.6 Bild 4 Wenn das Vakuum nachläßt, fällt die Kugel 2 ab und das Kondensat kann an der schwimmenden Kugel vorbei in den Speisewasserbehälter abfließen. Fig.5 Bild 3 zeigt diesen Kondensatausschub.

Fig.7+8 zeigt eine weitere Variante für ein selbsttätiges Auslaßventil mit Steuerleitung 1 und Steuerkolben 6 für Dampfmotore mit Einspritzkondensation.

Fig.8 Bild1 Durch das Einsprühen von Dampf baut sich oberhalb vom Kolben 12 ein Druck auf, der über die Steurleitung 1 den Steuerkolben 6 gegen die Feder 4 öffnet. Der entstehende Druck drückt auch das Kondensat 16 durch die Öffnung 7 in den Speisewasserbehälter. Ca.20° nach OT schließt der Kolben 12 die Steuerleitung 1, so daß kein weiterer Druck auf den Steuerkolben drückt.

Fig.8 Bild 2 Ca.30° nach OT überdeckt die Kolbennut 2 die Steuerleitung 1 und die Kondensatleitung 7, so daß der Steuerdruck entweichen kann und die Feder 4 den Steuerkolben 6 schließt.

Fig.8 Bild 3 Nach Erreichen des Kolbens 12 von UT wird durch die Düse 9 kaltes Wasser eingespritzt und es entsteht ein Vakuum.Der Kolben 12 wird dadurch nach OT zurückgezogen.

Fig.8 Bild 4 Das Kondensat 16 sammelt sich über dem Steuerkolben 6 und wird, nach Erreichen des Kolbens 12 von OT und beim Einspritzen des Dampfes, durch die Öffnung 7 abfließen.

Um aus der Kobenmaschine eine höhere Leistung zu erreichen, kann die in Fig.7+8 dargestellte selbsttätige Steuerung auch in einer doppelseitig beaufschlagten Kolbenmaschine angewand werden.

Fig.9 zeigt eine solche Anordnung, bei der auf beiden Seiten sowohl Dampf als auch entgegengesetzt Kaltwasser für die Kondensation eingespritzt werden kann.

Zusätzlich ist bei dieser stehenden Ausführung ein Überdruckventil 14 eingebaut, das bei Wasserschlägen eine Beschädigung der Kolbenmaschine verhindern soll. Die Kolbenstange 16 wird durch ein Speziallager 17 geführt, das den Über- und Unterdruck abdichtet und der Kolbenstange eine Führung gibt. Mit dem Pleuel 15 wird die Druck- und Zugkraft auf die Kurbelwelle übertragen.

Bei Einzylindermaschinen oder Kolbenmaschinen in Boxeranordnung ergeben sich beim Erreichen des Kolbens von OT+UT Totpunkte, wo keine Kraft auf die Kurbelwelle übertragen wird. Bei Mehrzylindermaschinen, bei denen die Kröpfung der Kurbelwelle 120° oder 90° beträgt, ergibt sich ein besserer Rundlauf und es ist auch ein Selbstanlauf der Kolbenmaschine möglich.

Fig.10 zeigt eine Anordnung von zwei Zylindern die im 90° Winkel zueinander stehen und bei denen die Kolbenstangen am Ende Kurbelschlaufen haben. Da beide Kolben doppelt beaufschlagt sind und sowohl drücken als auch ziehen, ergibt sich ein absoluter Rundlauf, da immer ein Kolben im im vollen Einsatz ist.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß kein Pleuel benötigt wird und daher die Kolbenmaschine mit kleinen Abmessungen gebaut werden kann.

Fig.1 - Sechszylindermotor stehend mit Ventilauslaß.

1): Dampfmotor
2): Schwungrad
3): Generator
4): Winkelsensor
5): Zeitschaltrelais
6): Magnetventil
7): Kondensator
8): Speisewasserbehälter
9): Druckhaltepumpe
10): Druckregler
11): Drucksensor
12): Wärmetauscher
13): Gasregelstrecke
14): Gas/Ölbrenner
15): Keramikbrennkammer
16): Thermometer
17): Manometer
18): Sicherheitsventil
19): Thermostat
20): Temperaturfühler

Fig.2 - Stehender Motor mit Hochdruckpumpe

1): Hochdruckpumpe
2): Keramikventil
3): Einspritzdüse
4): Nockenwelle
5): Abdampfleitung
6): Teflonkolbenringe
7): Keramikkolben
8): Kondensator
9): Gas/Ölbrenner
10): Keramikbrennkammer
11): Speisewasserbehälter
12): Druckhaltepumpe
13): Druckregler
14): Drucksensor
15): Thermostat
16): Temperaturfühler

Fig.3 + 4 - Abdampfsteuerung mit Steuerkolben

1): Zylinder
2): Kolben
3): Baypaß
4): Steuerkolben
5): Druckfeder
6): Stellschraube
7): Gehäuse

Fig.5 + 6 - Selbsttätiges Auslaßventil mit Kugel

1): Ventil
2): Kugel
3): Feder
4): Kolben
5): Stellschraube
6): Gehäuse
7): Speisewasserbehälter
8): Flashdampfdüse
9): Kaltwasserdüse
10): Teflonkolbenringe
11): Alukolben
12): Zylinder beschichtet
13): Pleulstange
14): Flaschdampf
15): Kaltwasserstrahl
16): Kondensatablauf

Fig.7 + 8 - Liegende Ausführung mit selbstätigen Ventil

1): Steuerleitung
2): Kolbennut
3): Stellschraube
4): Druckfeder
5): Ventilgehäuse
6): Steuerkolben
7): Kondensatleitungen
8): Flashdampfdüse
9): Kaltwasserdüse
10): Zylinderkopf Alu
11): Teflonkolbenringe
12): Alukolben
13): Zylinder beschichtet
14): Flashdampf
15): Kaltwasser
16): Kondensat

Fig.9 - Stehende Ausführung doppelseitig wirkend

1): Steuerleitung
2): Kolbennut
3): Stellschraube
4): Druckfeder
5): Ventilgehäuse
6): Steuerkolben
7): Kondensatleitung
8): Flashdampfdüse
9): Kaltwasserdüse
10): Zylinderkopf Alu
11): Teflonkolbenringe
12): Alukolben
13): Zylinder beschichtet
14): Sicherheitsventil
15): Pleuelstange
16): Kolbenstange
17): Speziallager

Fig.10 - V-Motor mit Kurbelschlaufen

1): Kolben-A
2): Kolben-B
3): Kolbenstange
4): Kurbelschlaufe
5): Gleitschuh
6): Kurbelwelle
7): Speziallager
8): Schwungrad
9): Einspritzventile
10): Auslaßventile

Claims

Verfahren zum Umbau von Kolbenmaschinen in Dampfmotore dadurch gekennzeichnet, daß Oberflächen beschichtet, Teile ausgetauscht und Änderungen am Motor durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet, daß die Heißwasserkammer zur Dampferzeugung direkt an den Dampfmotor angebaut ist.
Verfahren nach Anspruch 2) dadurch gekennzeichnet, daß Flashdampf in der Heißwasserkammer erzeugt und der Gegendruck durch eine Druckhaltepumpe automatisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3) dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Flashdampfes zum Dampfmotor durch spez. Magnetventile automatisch gesteuert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4) dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Flashdampfes durch eine Hochdruckpumpe erfolgt, die das Heißwasser zu den Einspritzdüse drückt.
Verfahren nach Anspruch 5) dadurch gekennzeichnet, daß dem im geschlossen System arbeitendem Fluid Beimischungen zugegeben werden, um die Dampfbildung zu verbessern und den Siedepunkt herabzusetzen.
Verfahren nach Anspruch 6) dadurch gekennzeichnet, daß durch das Einspritzen von kaltem Wasser die Kondensation im Zylinder stattfindet. Daß dabei entstehende Vakuum zieht den Kolben zurück und verbessert dadurch den Wirkungsgrad des Dampfmotors erheblich.
Verfahren nach Anspruch 7) dadurch gekennzeichnet, daß ein selbsttätig arbeitendes Auslaßventil nur vom Dampfdruck gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 8) dadurch gekennzeichnet, daß bei einem liegend angeordneten Dampfmotor ein kombiniertes Auslaßventil mit Kegel und Kugel vorhanden ist, daß bei Vakuum schließt und bei Druckausgleich das Kondensat abfließen läst.
Verfahren nach Anspruch 9) dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensatauslaßventil durch eine Steuerleitung im Kolben betätigt wird. Durch den Dampfdruck wird der Steuerkolben gegen den Federdruck geöffnet.
Verfahren nach Anspruch 10) dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung des selbsttätigen Kondensatauslaßventiles auch bei doppeltseitig beaufschlagten Kolbenmaschinen möglich ist.