EP0995014B1 - Zylinder-kolbeneinheit, insbesondere für dampfkraftmaschinen - Google Patents
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- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
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Definitions
- the invention relates to a cylinder-piston unit, in particular for steam engines with expansion under the addition of heat according to the preamble of Main claim.
- a steam engine with a cylinder-piston unit according to the prior art is known Document DE-PS 828 988 with expansion under the supply of heat.
- the piston has one heat head insulated on the inside.
- the heat supply to the cylinder piston element takes place via cylindrical ribs by means of an open burner in the Stroke range of the insulated heat head and the cylinder head with the compression chamber.
- the steam is generated directly in the heated cylinder by metered Water injection. Form the outlet for the expanded water vapor the piston in the area of bottom dead center released slots.
- the invention has for its object the cylinder-piston unit of the steam engine by means of a pore burner direct heat on the cylinder head and Supply expansion space.
- Pore burners work with relatively low firing temperatures and, due to their structure, enable thermal bridges to be made directly to the cylinder-piston unit.
- the low combustion temperature level is suitable on the one hand for heat transfer to the working process of a steam engine with expansion under the addition of heat and on the other hand ensures low-pollution combustion.
- FIG. 1 shows a cylinder-piston unit 1 with a piston 2 and displacer 3 as well a holistic heat supply to the working medium as a whole Working room 5 shown.
- a special pore burner 50 with the Burning section A applied.
- Heat transfer sections B and C surround the lower part of the cylinder head 43 and the cylinder 1 in the stroke area 41 of the Displacer 3.
- the guide piston 2 carries sealing rings 21 and a heat insulated attached displacer 3. It is connected to a crankshaft by a connecting rod - not shown - and is in the cylinder bore 4 in a warm and cold Cylinder section 41; 46 out.
- the displacer 3 preferably has an absorption or reflection surface 31, behind which is preferably a heat storage layer 32 and an insulating layer 33 lies.
- Cylinder jacket 42 and cylinder head 43 can in the be designed as a cast or sintered parts and / or have a coating to enlarge the heat transfer surface.
- the displacer 3 is parallel to the surrounding in its stroke range with play troughs cylinder section 41 and has a facing the cylinder head 43 reducing cross-section.
- cylinder head 43 and displacer 3 is located complementary surfaces to be polygonal. This The hottest heat transfer path B is assigned to the area.
- the warm cylinder section 41 in the stroke range of the displacer 3 and the cylinder head 43 advantageously as a radiator trained, the radiation in the range of the absorption spectrum of the Working medium lies.
- the pore burner 50 is assigned to the cylinder head 43. It extends over part of the cylinder head 43 annular.
- Heat transfer paths B and C of the pore burner 50 and the are expedient Steam generator 6 is surrounded on the outside by an insulating layer 51.
- the outside of the heat transfer paths C on the cylinder jacket 42 is one Steam generator 6 or preheater enclosed. From the steam generator 6 The combustion gases of the pore burner 50 are removed from the surrounding space.
- Tube channels 7 of a superheater stage between the are advantageous Heat transfer paths B and C and / or in the cylinder jacket 42, preferably in its radial, parallel to the axis of the cylinder jacket 42 Ribs 44, arranged in a guided manner.
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Description
Die Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolbeneinheit, insbesondere für Dampfkraftmaschinen
mit Expansion unter Wärmezufuhr gemäß dem Oberbegriff des
Hauptanspruches.
Vorbekannt ist eine Dampfkraftmaschine mit Zylinder- Kolbeneinheit gemäß der
Schrift DE-PS 828 988 mit Expansion unter Wärmezufuhr. Der Kolben weist einen
nach seiner Innenseite isolierten Wärmekopf auf. Die Wärmezufuhr zum Zylinder-Kolbenelement
erfolgt über Zylinderrippen mittels eines offenen Brenners im
Hubbereich des isolierten Wärmekopfes und des Zylinderkopfes mit dem Verdichtungsraum.
Die Dampferzeugung erfolgt direkt im beheizten Zylinder durch dosierte
Wassereinspritzung. Den Auslaß für den expandierten Wasserdampf bilden durch
den Kolben im Bereich des unteren Totpunktes freigegebene Schlitze.
Vorbekannt sind durch die Schrift DE 43 22 109 A1 Porenbrenner für eine im
wesentlichen NOxfreie Verbrennung. Durch eine gestuft vom Brenngaseinlaß zum
-auslaß von fein- nach grobporig variierte Schichtung von Teilen wird eine Stabilisierung
und Temperaturbegrenzung im Verbrennungsablauf erzielt, womit eine
schadstoffarme Verbrennung gesichert wird. Diese Brennerart weist eine hohe
Leistungsdichte bezogen auf ihr Bauvolumen auf, wobei eine Anwendung
als Warmwasser- oder Dampferzeuger beschrieben ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, der Zylinder-Kolbeneinheit der Dampfkraftmaschine
mittels eines Porenbrenners unmittelbar Wärme am Zylinderkopf und
Expansionsraum zuzuführen.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches und
in den Nebenansprüchen genannten Merkmale gelöst. Mittels der vorgeschlagenen
Bauart wird einerseits eine komplexe Wärmezuführung zum Arbeitsmedium für
den gesamten Arbeitsraum sowie ein verlustarmer Wärmeübergang dorthin erreicht.
Porenbrenner funktionieren mit relativ niedrigen Brenntemperaturen und ermöglichen
aufgrund ihrer Struktur eine Herstellung von Wärmebrücken unmittelbar zur Zylinder-Kolbeneinheit.
Das niedrige Brenntemperaturniveau eignet sich einerseits für eine Wärmeübertragung zum Arbeitsprozeß einer Dampfkraftmaschine mit einer Expansion unter Wärmezufuhr und gewährleistet andererseits eine schadstoffarme Verbrennung.
Das niedrige Brenntemperaturniveau eignet sich einerseits für eine Wärmeübertragung zum Arbeitsprozeß einer Dampfkraftmaschine mit einer Expansion unter Wärmezufuhr und gewährleistet andererseits eine schadstoffarme Verbrennung.
Die Merkmale der Unteransprüche werden im Zusammenhang mit ihrer Wirkung in
der Beschreibung erläutert.
Anhand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit
Ausgestaltungen gemäß den Unteransprüchen beschrieben.
Es zeigt:
- Fig.1
- einen Längsschnitt durch eine Zylinder-Kolbeneinheit mit einem Verdränger und einer Wärmezuführung durch einen ringförmigen Porenbrenner,
- Fig. 2
- eine Draufsicht auf einen polygonförmigen Verdränger mit vergrößerter Oberfläche
In Fig.1 ist eine Zylinder-Kolbeneinheit 1 mit einem Kolben 2 und Verdränger 3 sowie
einer gesamtheitlichen Wärmezuführung zum Arbeitsmedium im gesamten
Arbeitsraum 5 gezeigt. Hierzu wird ein spezielle Porenbrenner 50 mit der
Brennstrecke A angewandt. Wärmeübergangsstrecken B und C umgeben den
unteren Teil des Zylinderkopfes 43 und den Zylinder 1 im Hubbereich 41 des
Verdrängers 3. Der Führungskolben 2 trägt Dichtringe 21 sowie einen wärmeisoliert
befestigten Verdränger 3. Er ist über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden -
nicht dargestellt - und wird in der Zylinderbohrung 4 in einem warmen und kalten
Zylinderabschnitt 41; 46 geführt.
Der Verdränger 3 weist vorzugsweise eine Absorptions- oder Reflexionsoberfläche
31 auf, hinter der vorzugsweise eine Wärmespeicherschicht 32 und Isolierschicht 33
liegt. Mit diesen vorbeschriebenen Ausgestaltungsmerkmalen des Verdrängers 3
wird einerseits eine Speicherung von Wärme oder andererseits eine Reflexion von
Wärme zur Aufheizung der Ladung zwischen Verdränger 3 und der Innenfläche des
Zylinderabschnittes 41 erzielt. Diese Gestaltung sichert eine korrektive Übertragung
von Wärme mit hohem Wirkungsgrad durch die Strömung im Zylinderraum und die
warmen Wände des Zylinderabschnittes 41 und des Zylinderkopfes 43.
Am Zylindermantel 42 sind im Zylinderabschnitt 41 des Verdrängers 3 oder
zusätzlich am Zylinderkopf 43 radiale Rippen 44 oder/und zueinander versetzte
nadel- oder stegförmige, radiale Ansätze angeordnet. Zwischen deren nach außen
geschlossenen Sektoren werden Wärmeübergangsstrecken B und C des
Porenbrenners 50 gebildet. Zylindermantel 42 und Zylinderkopf 43 können in der
vorbeschriebenen Gestaltung als Guß- oder Sinterteile ausgeführt sein und/oder
eine Beschichtung zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche aufweisen.
Der Verdränger 3 ist in seinem Hubbereich mit Spiel parallel zum umgebenden
wannen Zylinderabschnitt 41 geführt und weist einen sich zum Zylinderkopf 43
verkleinernden Querschnitt auf. Für einen optimalen Wärmeübergang an das
Arbeitsmedium, das sich im Arbeitsraum 5 und im Spalt zwischen warmem
Zylinderabschnitt 41, Zylinderkopf 43 und Verdränger 3 befindet, können die
zueinander komplementären Oberflächen polygonartig ausgeführt sein. Diesem
Bereich ist die heißeste Wärmeübergangsstrecke B zugeordnet.
Bei der von außen beheizten Zylinderbohrung 4 ist der warme Zylinderabschnitt 41
im Hubbereich des Verdrängers 3 und der Zylinderkopf 43 vorteilhaft als Strahler
ausgebildet, dessen Strahlung im Bereich des Absorptionsspektrums des
Arbeitsmediums liegt.
Dem Zylinderkopf 43 ist der Porenbrenner 50 zugeordnet. Er erstreckt sich über
einen Teil des Zylinderkopfs 43 ringförmig.
Zweckmäßig sind Wärmeübergangsstrecken B und C des Porenbrenners 50 und der
Dampferzeuger 6 außen von einer Isolierschicht 51 umgeben.
Die Außenseite der Wärmeübergangsstrecken C am Zylindermantel 42 ist von einem
Dampferzeuger 6 oder Vorwärmer umschlossen. Aus dem Dampferzeuger 6
umgebenden Raum erfolgt die Abführung der Brenngase des Porenbrenners 50.
Vorteilhaft sind Rohrkanäle 7 einer Überhitzerstufe zwischen den
Wärmeübertragungsstrecken B und C und/oder im Zylindermantel 42, vorzugsweise
in dessen radialen, zur Achse des Zylindermantels 42 parallel verlaufenden
Rippen 44, geführt angeordnet.
Im kalten Zylinderabschnitt 46 am Ende des Hubbereiches des Führungskolbens 2
mündet der Auslaßkanal 11 mit Fenstern, die von den Dichtringen 21 des
Führungskolbens 2 überlaufen werden.
- 1
- Zylinder-Kolbeneinheit
- 2
- Führungskolben
- 21
- Ringdichtungen
- 3
- Verdränger
- 31
- Absorptions- oder Reflexionsoberfläche
- 32
- Wärmespeicherschicht
- 33
- Isolierschicht
- 4
- Zylinderbohrung
- 41
- warmer Zylinderabschnitt /Hubbereich des Verdrängers 3
- 42
- Zylindermantel
- 43
- Zylinderkopf
- 44
- Rippen
- 46
- kalter Zylinderabschnitt/Hubbereich des Führungskolbens 2
- 5
- Arbeitsraum
- 50
- Porenbrenner
- 51
- Isolierschicht
- 6
- Dampferzeuger
- 7
- Rohrkanäle einer Überhitzerhaube
- 11
- Auslaßkanal
- A
- Brennstrecke von 50
- B
- Wärmeübergangsstrecke
- c
- Wärmeübergangsstrecke
Claims (11)
- Zylinder-Kolbeneinheit, insbesondere für Dampfkraftmaschinen mit Expansion unter Wärmezufuhr folgender Bauart,dadurch gekennzeichnet, daß am warmen Zylinderabschnitt (41) im Hubbereich des Verdrängers (3) und am Zylinderkopf (43) Wärmeübergangsstrecken (B,C) eines den Zylinderkopf (43) in seiner Höhe teilweise umschließenden Porenbrenners (50) angeordnet sind.ein im Zylinderelement (4) geführter Kolben (2) weist einen Verdränger (3) auf,eine Heizeinrichtung (50) ist am Zylinderelement für den Hubbereich eines nicht dichtenden Verdrängers (3) angeordnet,die Arbeitsmittelzuführung erfolgt dampfförmig oder flüssig im Bereich des oberen Totpunktes,ein Auslaß (11) des expandierten Arbeitsmittels erfolgt zumindestens im Bereich des unteren Totpunktes,
- Zylinder-Kolbeneinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß am Zylinderabschnitt (41) im Hubbereich des Verdrängers (3) oder zusätzlich am Bereich des Zylinderkopfes (43) radiale Rippen (44) oder/und zueinander versetzte nadel- oder stegförmige, radiale Ansätze angeordnet sind, zwischen deren nach außen geschlossenen Sektoren Wärmeübergangsstrecken (B;C) des Porenbrenners (50) angeordnet sind. - Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderabschnitt (41) und der Zylinderkopf (43) als Guß- oder SinterTeile ausgeführt sind. - Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkolbenabschnitt (41), der Zylinderkopf (43) und der Verdränger (3) einzeln oder serienmäßig eine die Wärmeübergangsfläche vergrößernde Beschichtung aufweisen. - Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Zonen und die Wärmeübergangsstrecken (B; C) des Porenbrenners (50) nach außen von einer Isolierschicht (51) umgeben sind. - Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,daß die Außenseite des den Zylinderkopf (43) und Zylindermantel (42) umschließenden Porenbrenners (50) mit seinenWärmeübergangsstrecken (B;C) vom Dampferzeuger (6) oder Vorwärmer umschlossen ist. - Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
durdurch gekennzeichnet,daß die Überhitzerstufe aus mehreren Rohrkanälen (7) besteht,die in oder zwischen den Wärmeübergangsstrecken (B;C) des Porenbrenners (50) und/oder im Zylindermantel (42), vorzugsweise in dessen radialen zur Achse des Zylindermantels (42) parallel verlaufenden Rippen (44), geführt sind. - Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseiten von Zylindermantel (42) und Zylinderkopf (43) als Strahler ausgebildet sind, dessen Strahlen im Bereich des Absorptionsspektrums des Arbeitsmediums liegt. - Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Verdränger mit Spiel gegenüber der Zylinderinnenfläche geführt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Verdränger (3) als Absorptionsfläche und/oder Reflexionsfläche für die Strahlung des Zylindermantels (42) ausgeführt ist und eine Wärmespeichermasse (32) aufweist, die nach innen von einer Isolierschicht (33) umgeben ist. - Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (3), der Zylindermantel (42), der warme Zylinderabschnitt (41), und der Zylinderkopf (42) mit komplementären Polygonkonturen ausgestattet sind. - Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß am Zylindermantel (42) im Hubbereich des Verdrängers (3) und/oder Zylinderkopf (43) zueinander versetzte, gewellten Lochplatinen gleichende Rippen (44) an- oder eingegossen bzw. eingesintert sind.
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