EP2002089B1 - Kolbendampfmaschine mit interner flash-verdampfung des arbeitsmediums - Google Patents

Kolbendampfmaschine mit interner flash-verdampfung des arbeitsmediums Download PDF

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EP2002089B1
EP2002089B1 EP07723993.7A EP07723993A EP2002089B1 EP 2002089 B1 EP2002089 B1 EP 2002089B1 EP 07723993 A EP07723993 A EP 07723993A EP 2002089 B1 EP2002089 B1 EP 2002089B1
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EP
European Patent Office
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working medium
piston
steam engine
prechamber
working
Prior art date
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EP07723993.7A
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EP2002089A2 (de
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Michael Löffler
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Electricite de France SA
Original Assignee
Electricite de France SA
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/26—Engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main-shaft axis; Engines with cylinder axes arranged substantially tangentially to a circle centred on main-shaft axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/02—Steam engine plants not otherwise provided for with steam-generation in engine-cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B5/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes arranged substantially tangentially to a circle centred on main shaft axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B27/00—Instantaneous or flash steam boilers
    • F22B27/16—Instantaneous or flash steam boilers involving spray nozzles for sprinkling or injecting water particles on to or into hot heat-exchange elements, e.g. into tubes

Definitions

  • the invention relates to a piston steam engine and to a method for operating a piston steam engine.
  • the steam generators required for a piston steam engine usually consist of a heat exchanger in which the working medium, such as water, is vaporized at the desired working pressure.
  • the heat required for the evaporation process is provided by a heat transfer medium, such as flue gases.
  • the heat transfer medium in the steam generator is cooled to a temperature in the range of the evaporation temperature of the working medium.
  • a known steam engine has an external burner B, which heats the liquid working medium via a heat exchanger H.
  • the liquid working medium is injected directly into the working space.
  • the heat transfer medium of the heat source should be cooled down to ambient temperature in a process that is as reversible as possible.
  • the heat transfer medium of the heat source only cools down to a temperature close to the evaporation or condensation temperature.
  • the heat transfer medium is cooled, for example, only from 200 ° C to 140 ° C and not to the ambient temperature.
  • This object is achieved in a piston steam engine according to the preamble of claims 1 and 15 by the features of the characterizing parts of these claims.
  • This solution includes, among other things, that the working fluid is introduced in liquid form into the at least one antechamber of the piston steam engine when the piston is in the region of top dead center (TDC).
  • TDC top dead center
  • the cylinder volume increases and further working fluid can evaporate.
  • the liquid portion of the working medium cools down.
  • the vaporous portion of the working medium also cools down. Because of these processes, the efficiency, in particular the exergetic efficiency and the performance of the piston steam engine according to the invention are significantly increased compared to other heat engines.
  • At least one pre-chamber is provided, which is in communication with the working space, wherein the working medium is introduced into the pre-chamber and particularly preferably in a circle-like path in the prechamber.
  • the circular path of the liquid phase causes centrifugal forces which greatly accelerate the liquid phase radially outward due to the high density.
  • the resulting in the flash evaporation of the working medium vapor has a significantly lower density than the liquid phase and can flow into the cylinder chamber, since the connection between the antechamber and the working chamber in the center of the antechamber opens into this.
  • the radial acceleration causes the liquid phase can not escape from the antechamber. This achieves a very simple and at the same time effective phase separation.
  • the volume of the prechamber should be as small as possible.
  • a plurality of pre-chambers and / or a plurality of injectors per cylinder are provided, which are all connected to the working space.
  • This makes it possible to introduce the working fluid at different temperatures as a function of the pressure prevailing in the working space during the working cycle and / or the prevailing temperature in the working space and / or the position of the piston in the atria and / or the working space.
  • This allows working media with different Temperatures without Exergielope be coupled due to mixing operations in the piston steam engine according to the invention.
  • the working medium partially directly into the working space.
  • that liquid working medium can be atomized during the injection process and distributed in the form of small drops within the working space and the antechamber.
  • the friction between the droplets and the gaseous phase of the working medium avoids direct contact between the droplets and the surfaces of the piston steam engine.
  • injectors may serve injectors, as used in fuel injection systems of conventional gasoline or diesel internal combustion engines.
  • the heat transfer medium has a temperature of about 200 ° C to 350 ° C, water has proved to be particularly suitable.
  • heat or waste heat at a temperature of about 150 ° C to 200 ° C is available, methanol has proven to be particularly suitable.
  • R134a When heat or waste heat at a temperature of about 100 ° C is available, R134a has proven to be particularly suitable.
  • the internal thermal insulation is of particular importance to prevent the cooling liquid working fluid from receiving convective heat from the cyclone wall or other surfaces of the piston steam engine.
  • This arranged on the working space or cyclone inner wall heat-insulating coating may be for example of Teflon, enamel or ceramic.
  • the surfaces of the piston steam engine which come into contact with the working medium can be heated in order to effectively prevent the condensation of the working medium on these surfaces.
  • the gaseous phase accessible components of the machine must be at a temperature greater than the condensation temperature of the working fluid at the gas pressure being applied. If the surfaces of the components were colder, some of the resulting gaseous phase would suddenly condense on these surfaces and the condensed phase would no longer be available to drive the piston and the performance and efficiency of the machine would decrease.
  • FIG. 1 shows by way of example the construction of a first embodiment of a piston steam engine according to the invention with an antechamber 13, a piston 3, a cylinder 5, a connecting rod 7 and a crankshaft 9, which may be coupled to a generator, not shown.
  • the piston 3 and the cylinder 5 define a working space 11.
  • An antechamber 13 is connected to the working space 11.
  • In the antechamber 13 open a supply line 15 and a discharge line 17 for the working medium.
  • a switchable inlet valve 19 is arranged in the supply line 15 for the liquid working medium.
  • this inlet valve which can be designed as an injector, liquid working fluid can be injected into the pre-chamber 13 become. This injection is preferably carried out when the piston 3 is in the region of the top dead center OT.
  • a switchable outlet valve 21 located in the outlet 17 for the working medium is opened and the piston 3 pushes the remaining liquid phase and the working medium which has become vaporous during its subsequent movement in the direction TDC the work space 11 from.
  • the discharge line 17 serves to discharge the liquid phase remaining in the pre-chamber 13. About the derivative 17 and the vaporized working medium can be removed. Alternatively, it is also possible in the working space 11 to provide an additional steam valve 22, which takes over the removal of the vaporized working medium.
  • the steam valve 22 may be formed as a poppet valve and (not shown) by a camshaft, similar to a gas exchange valve of an internal combustion engine and be actuated.
  • the discharge line 17.1 for the working medium opens into a condenser 23.
  • the working medium discharged through the steam valve 22 can be led into the condenser 23 through a discharge line 17.3.
  • FIG. 2 shows the structure of a piston steam engine according to the invention with two pre-chambers 13.1 and 13.2, two supply lines 15.1 and 15.2 for the working medium.
  • two switchable inlet valves 19.1 and 19.2 are arranged in the supply lines 15.1 and 15.2 in the supply lines 15.1 and 15.2 in the supply lines 15.1 and 15.2 in the supply lines 15.1 and 15.2 in the supply lines 15.1 and 15.2 in the supply lines 15.1 and 15.2 are arranged.
  • the working medium contained in the first supply line 15.1 has a higher temperature than the working medium contained in the second supply line 15.2. Therefore, first a certain amount of the working medium contained in the first supply line 15.1 is introduced into the first prechamber 13.1. There, this working fluid evaporates and gives off work on the piston 3. This reduces the pressure and temperature of the working medium 11 and pre-chambers 13.1 and 13.2 located working medium. As soon as the temperature of the working medium located in the working space 11 and prechambers 13.1 and 13.2 has approached the temperature of the working medium located in the second feed line 15.2, working medium from the second supply line 15.2 is still in the same working stroke of the piston 15 by brief opening of the second inlet valve 19.2 introduced into the second prechamber 13.2. Also, this working medium evaporates immediately after it has been introduced into the antechamber 15.2 and gives off work on the piston 3 from.
  • the two Temperature levels is available.
  • the waste heat of an internal combustion engine can be optimally utilized, since in an internal combustion engine, the exhaust gases at a temperature greater than 200 ° C incurred while the coolant heat and the oil have a temperature of about 120 ° C.
  • a first heat exchanger (not shown), which is operated with the waste heat of the exhaust gases, and a second heat exchanger (not shown), which is heated with the waste heat of the cooling water and the oil required ,
  • the warmer working fluid is injected at a temperature of 200 ° C. If this has cooled to 120 ° C, then some 120 ° C hot working medium is injected.
  • the related to the heat of combustion efficiency of an internal combustion engine can be increased by about 10% with the piston engine shown.
  • the piston steam engine according to the invention operates on the two-stroke principle. An intake stroke and a compression stroke eliminated.
  • the outlet valve or valves 21 are closed and then the working medium is injected through the inlet valve 19.
  • the outlet valve 21 is opened.
  • the remaining liquid phase and the resulting gaseous phase are discharged through the outlet valve 21. Liquid and gaseous phase can pass through the same outlet valve 21 or separate valves are provided.
  • hot liquid working fluid is injected under pressure into an antechamber of the piston steam engine.
  • the working fluid can be harmless water.
  • FIG. 3 shows the structure of an antechamber 13 for a piston steam engine according to the invention.
  • the prechamber 13 is constructed similar to a cyclone separator.
  • the supply line 15, the discharge line 17 and the valves 19 and 21 are indicated.
  • the liquid working fluid is introduced substantially tangentially into the antechamber 13 and moves on a radially outer circular path. Due to its lower density, the vapor produced during the flash evaporation is forced into the middle of the prechamber 13, so that a separation of liquid and vaporous working medium takes place in the prechamber 13.
  • a compound 29 is arranged, which opens into the working space 11. Via the connection 29, the vaporous working medium passes from the antechamber into the working space 11.
  • the gravity supports the separation of liquid and vapor phase in addition.
  • the affected surfaces of the piston 3, cylinder 5 and prechamber 13 must be heated and / or heat-insulated. So that no heat is released from the heated surfaces to the liquid phase of the working medium, two alternative measures can be taken.
  • the pre-chamber 13 is geometrically designed such that the injected liquid phase of the working medium can move stably on a circular path.
  • the pre-chamber 13 is referred to in this case as a cyclone.
  • the centrifugal forces occurring on the circular path ensure that the resulting vapor, on which act due to lower density low centrifugal forces, can escape into the cylinder chamber of the piston steam engine and the liquid Heat transfer medium, act on the large density due to the large centrifugal forces, remains in the circular path.
  • phase separation succeeds: the liquid phase remains in the flash vaporization in the cyclone, while the vapor phase escapes into the cylinder space.
  • FIG. 4 is a further embodiment of a piston steam engine according to the invention shown.
  • this embodiment eliminates the pre-chamber 13 and the liquid working medium is injected directly into the working space 11. This can be done with the aid of an injector known from the prior art.
  • the working fluid is atomized during the injection process into small drops, similar to the injection of diesel fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the drops are held in suspension by friction in the gas phase. In this way, the drops can touch the hot surfaces only to a small extent and the heat exchange between the liquid phase and the hot surfaces is kept low.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbendampfmaschine sowie auf ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbendampfmaschine.
    • Stand der Technik.
  • Die zur Zeit verfügbaren Kolbendampfmaschinen arbeiten mit Dampf, der von einem Dampferzeuger bereitgestellt wird. Über Einlassventile und Auslassventile wird der Dampf so geleitet, dass er mit hohem Druck in den Zylinderraum gelangt, im Zylinderraum den Kolben bewegt, dabei entspannt und anschließend durch den Kolben aus dem Zylinderraum ausgestoßen wird.
  • Die für eine Kolbendampfmaschine erforderlichen Dampferzeuger bestehen meistens aus einem Wärmeübertrager, in dem das Arbeitsmedium, wie zum Beispiel Wasser, bei dem gewünschten Arbeitsdruck zur Verdampfung gebracht wird. Die für den Verdampfungsprozess erforderliche Wärme wird dabei von einem Wärmeträgermedium, wie zum Beispiel Rauchgasen, bereitgestellt. Im Gegenzug wird Wärmeträgermedium im Dampferzeuger auf eine Temperatur im Bereich der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums abgekühlt.
  • In einem weiteren Ansatz wird versucht, eine sogenannte Flashverdampfung in einer Schraubenmaschine zu realisieren. Hier seien die Arbeiten von Prof. Kauder, Universität Dortmund genannt. Allerdings sind die prinzipiellen Nachteile einer Schraubenmaschine unübersehbar:
    • Das Verdichtungs- beziehungsweise das Expansionsverhältnis, nachfolgend auch zw. Volumenverhältnis genannt, liegt bei einer Schraubenmaschine bei ca. 4 bis maximal 8. In einer Kolbendampfmaschine hingegen können Volumenverhältnisse größer 100 erreicht werden.
    Der konvektive Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und den Wänden der Schraubenmaschine ist sehr groß, da eine voll ausgebildete Zwei-Phasen-Strömung vorliegt und im Übrigen die wärmeübertagende Fläche sehr groß ist.
    Der volumetrische Wirkungsgrad einer Schraubenmaschine ist bauartbedingt relativ schlecht, das die Leckageverluste nicht wie bei einer Kolbendampfmaschine durch Dichtungs- oder Kolbenringe reduziert werden können.
    Auch bei anderen bekannten und am Markt verfügbaren Wärmekraftmaschinen, wie zum Beispiel herkömmliche Kolbendampfmaschinen, ORC-Maschinen, die nach dem Organic-Rankine-Cycle arbeiten, Rankine-Maschinen oder Dampfturbinen, wird aus einer vorhandenen Wärmequelle, vor allem wenn die Wärmequelle eine relativ geringe Temperatur besitzt, beispielsweise 200°C, nur eine relativ geringe mechanische Leistung entnommen.
  • Aus der US 4,301, 655 US ist und der GB 171, 291 sind kombinierte Brennkraftmaschinen und Dampfmaschinen bekannt.
  • Aus der US 3, 720, 188 US und der DE 100 00 082 A1 sind Kolbenmaschinen bekannt bei der die thermische Energie durch die Wand eines Zylinderkopfs auf das Arbeitsmedium übertragen wird.
  • Die aus der GB 2 082 683 A bekannte Dampfmaschine weist einen externen Brenner B auf, der über einen Wärmetauscher H das flüssige Arbeitsmedium erhitzt. Bei dieser Kolbenmaschine wird das flüssige Arbeitsmedium direkt in den Arbeitsraum eingespritzt.
  • Um die in der Wärme des Wärmeträgermediums enthaltene Exergie bestmöglich zu nutzen, sollte das Wärmeträgermedium der Wärmequelle in einem möglichst reversiblen Prozess bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden.
    In den Dampferzeugern bekannter Wärmekraftmaschinen allgemein kühlt sich das Wärmeträgermedium der Wärmequelle jedoch nur bis zu einer Temperatur nahe der Verdampfungs- bzw. Kondensationstemperatur ab. Das Wärmeträgermedium wird dabei beispielsweise nur von 200°C auf 140°C und nicht bis auf die Umgebungstemperatur abgekühlt. Insbesondere wenn nur Wärme auf relativ niedrigem Temperaturniveau zur Verfügung steht, die ohnehin nur zu einem geringen Teil in mechanische Energie umwandelbar ist, wirkt sich diese relativ hohe Endtemperatur des Wärmeträgermediums der Wärmequelle und der damit einhergehende geringe exergetische Wirkungsgrad besonders ungünstig auf die Leistungsfähigkeit und die Wirtschaftlichkeit der Wärmekraftmaschine aus.
    Zudem werden bei manchen der oben genannten Wärmekraftmaschinen teilweise giftige oder schädliche Arbeitsmittel verwendet.
    Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Wärmekraftmaschine bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Wärmekraftmaschinen mindestens zum Teil überwindet. Außerdem soll mit der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ein möglichst hoher Anteil der zur Verfügung stehenden Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt werden.
    Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kolbendampfmaschine nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 15 durch die Merkmale der charakterisierenden Teile dieser Ansprüche gelöst. Diese Lösung beinhaltet unter Anderem, dass das Arbeitsmedium in flüssiger Form in die mindestens eine Vorkammer der Kolbendampfmaschine eingebracht wird, wenn sich der Kolben im Bereich eines Oberen Totpunkts (OT) befindet. Dadurch ist es möglich, in der-erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine die flüssige Phase und die dampfförmige Phase des Arbeitsmediums zu trennen, so dass die flüssige Phase nur in geringem Maße in Kontakt mit den Wänden der Kolbendampfmaschine gelangt. In einer Versuchsanordnung wurden beispielsweise nur 2% der Arbeitsraumoberfläche von der flüssigen Phase des Arbeitsmediums benetzt. Dadurch werden die Wärmeverluste deutlich verringert.
    Bei der erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine wird heißes und unter Druck stehendes Arbeitsmedium in flüssiger Form direkt oder indirekt in den Arbeitsraum eingebracht. Aufgrund der in der Kolbendampfmaschine herrschenden Drücke und Temperaturen, beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen, sobald es in die Kolbendampfmaschine eingebracht wurde. Der dabei entstehende Dampfdruck treibt den Kolben an.
  • Im Verlauf der Bewegung des Kolbens vergrößert sich auch das Zylindervolumen und weiteres Arbeitsmedium kann verdampfen. Bei der Verdampfung kühlt sich der flüssige Anteil des Arbeitsmediums ab. Bei der Verringerung des Drucks kühlt sich auch der dampfförmige Anteil des Arbeitsmediums ab. Aufgrund dieser Vorgänge sind der Wirkungsgrad, insbesondere der exergetische Wirkungsgrad und die Leistung der erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine deutlich erhöht gegenüber anderen Wärmekraftmaschinen.
  • Bei der Erfindung ist mindestens eine Vorkammer vorgesehen, die mit dem Arbeitsraum in Verbindung steht, wobei das Arbeitsmedium in die Vorkammer und besonders bevorzugt auf einer kreisähnlichen Bahn in die Vorkammer eingebracht wird. Die kreisähnliche Bahn der flüssigen Phase verursacht Zentrifugalkräfte, welche die flüssige Phase aufgrund der hohen Dichte stark radial nach außen beschleunigt. Der bei der Flash-Verdampfung des Arbeitsmediums entstehende Dampf hat eine erheblich geringere Dichte als die flüssige Phase und kann in den Zylinderraum strömen, da die Verbindung zwischen Vorkammer und Arbeitsraum im Zentrum der Vorkammer in diese mündet. Die radiale Beschleunigung bewirkt, dass die flüssige Phase nicht aus der Vorkammer austreten kann. Dadurch wird eine sehr einfache und gleichzeitig effektive Phasentrennung erreicht. Das Volumen der Vorkammer sollte möglichst klein sein.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Vorkammern und/oder mehrere Injektoren je Zylinder vorgesehen sind, die alle mit dem Arbeitsraum verbunden sind. Dadurch ist es möglich, das Arbeitsmedium mit unterschiedlicher Temperatur in Abhängigkeit des im Arbeitsraum während des Arbeitstakts herrschenden Drucks und/oder der im Arbeitsraum herrschenden Temperatur und/oder der Stellung des Kolbens nacheinander in die Vorkammern und/oder den Arbeitsraum einzubringen. Dadurch können Arbeitsmedien mit verschiedenen Temperaturen ohne Exergieverluste aufgrund von Mischungsvorgängen in die erfindungsgemäße Kolbendampfmaschine eingekoppelt werden.
  • Wenn mehrere Einspritzventile nacheinander in eine Vorkammer oder den Arbeitsraum einspritzen, ist darauf zu achten, dass das bereits im Zyklon befindliche Arbeitsmedium durch den Einspritzvorgang nicht vaporisiert oder verspritzt wird.
  • Alternativ ist es auch möglich, das Arbeitsmedium teilweise direkt in den Arbeitsraum einzubringen. Dabei kann dass flüssige Arbeitsmedium beim Einspritzvorgang zerstäubt werden und in Form kleiner Tropfen innerhalb des Arbeitsraums und der Vorkammer verteilt werden. Durch die Reibung zwischen den Tropfen und der gasförmigen Phase des Arbeitsmediums wird ein direkter Kontakt zwischen den Tropfen und den Oberflächen der Kolbendampfmaschine vermieden. Dadurch wird auch die unerwünschte Wärmeübertragung zwischen den Tropfen und den Oberflächen der Kolbendampfmaschine stark verringert.
    Als Injektoren können Injektoren dienen, wie sie in Kraftstoffeinspritzsystemen herkömmlicher Otto- oder Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt werden.
    Selbstverständlich kann es erforderlich sein, diese handelsüblichen Injektoren an die speziellen Einsatzbedingungen, insbesondere die teilweise sehr hohen Temperaturen und die korrosiven Arbeitsmedien, anzupassen.
    Wenn das Wärmeträgermedium eine Temperatur von etwa 200°C bis 350°C aufweist, hat sich Wasser als besonders geeignet erwiesen.
    Wenn Wärme oder Abwärme mit einer Temperatur von etwa 150°C bis 200°C zur Verfügung steht, hat sich Methanol als besonders geeignet erwiesen.
  • Wenn Wärme oder Abwärme mit einer Temperatur von etwa 100°C bis 150°C zur Verfügung steht, hat sich Pentan als besonders geeignet erwiesen.
  • Wenn Wärme oder Abwärme mit einer Temperatur von etwa 100°C zur Verfügung steht, hat sich R134a als besonders geeignet erwiesen.
  • Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die mit dem flüssigen Arbeitsmedium in Kontakt kommenden Flächen der Kolbendampfmaschine mit einer inneren und/oder äußeren Wärmedämmung zu versehen.
  • Die Innere Wärmedämmung ist von besonderer Bedeutung, um zu verhindern, dass das sich abkühlende flüssige Arbeitsmedium von der Zyklonwand oder anderen Flächen der Kolbendampfmaschine konvektiv Wärme aufnimmt. Diese an der Arbeitsraum bzw. Zyklon-Innenwand angeordnete wärmedämmende Beschichtung kann beispielsweise aus Teflon, Email oder Keramik sein.
  • Alternativ oder zusätzlich können die mit dem Arbeitsmedium in Kontakt kommenden Flächen der Kolbendampfmaschine beheizt werden, um die Kondensation des Arbeitsmediums an diesen Flächen wirksam zu unterbinden. Wenn durch den Flashprozess eine gasförmige Phase entsteht, so müssen die der gasförmigen Phase zugänglichen Bauteile der Maschine eine Temperatur haben, die größer ist als die Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums bei dem gerade herrschenden Gasdruck. Wären die Oberflächen der Bauteile kälter, so würde ein Teil der entstehenden gasförmigen Phase an diesen Oberflächen schlagartig kondensieren und die kondensierte Phase würde nicht mehr zum Antrieb des Kolbens bereitstehen und Leistung und Wirkungsgrad der Maschine würde sich verringern.
  • Weitere vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Die Erfindung wird durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche definiert.
    • Zeichnung
  • Es zeigen:
    • Figuren 1 und 2:
    Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kolbendampfmaschinen mit Zyklon,
    Figur 3:
    Eine Vorkammer einer erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine und
    Figur 4:
    ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschinen mit einem in den Arbeitsraum einspritzenden Injektor.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Figur 1 zeigt beispielhaft den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine mit einer Vorkammer 13, einem Kolben 3, einem Zylinder 5, einem Pleuel 7 und einer Kurbelwelle 9, die mit einem nicht dargestellten Generator gekoppelt sein kann. Der Kolben 3 und der Zylinder 5 begrenzen einen Arbeitsraum 11. Eine Vorkammer 13 ist mit dem Arbeitsraum 11 verbunden. In die Vorkammer 13 münden eine Zuleitung 15 und eine Ableitung 17 für das Arbeitsmedium.
  • In der Zuleitung 15 für das flüssige Arbeitsmedium ist ein schaltbares Einlassventil 19 angeordnet. Mit Hilfe dieses Einlassventils, das als Injektor ausgebildet sein kann, kann flüssiges Arbeitsmedium in die Vorkammer 13 eingespritzt werden. Diese Einspritzung erfolgt bevorzugt, wenn sich der Kolben 3 im Bereich des Oberen Totpunkts OT befindet.
  • Da der Druck in der Vorkammer 13 zum Zeitpunkt der Einspritzung niedriger ist als der Druck des Arbeitsmediums in der Zuleitung 15 findet unmittelbar nach der Einspritzung des Arbeitsmediums eine sogenannte Flash-Verdampfung in der Vorkammer 13 statt. In Folge dessen steigt der Druck in der Vorkammer 13 und in dem mit der Vorkammer 13 verbundenen Arbeitsraum 11, so dass der Kolben 3 in Richtung Unterer Totpunkt UT bewegt wird und dabei Arbeit an die Kurbelwelle 9 abgibt.
  • Wenn der Kolben 3 sich im Bereich des Unteren Totpunkts UT befindet, wird ein in der Ableitung 17 für das Arbeitsmedium befindliches schaltbares Auslassventil 21 geöffnet und der Kolben 3 schiebt bei seiner anschließenden Bewegung in Richtung OT die verbliebene flüssige Phase und das dampfförmig gewordene Arbeitsmedium und aus dem Arbeitsraum 11 aus.
  • Die Ableitung 17 dient unter Anderem dazu, die in der Vorkammer 13 verbliebene flüssige Phase abzuführen. Über die Ableitung 17 kann auch das dampfförmig gewordene Arbeitsmedium abgeführt werden. Alternativ ist es auch möglich im Arbeitsraum 11 ein zusätzliches Dampfventil 22 vorzusehen, das die Abfuhr des dampfförmig gewordenen Arbeitsmediums übernimmt. Das Dampfventil 22 kann als Tellerventil ausgebildet sein und von eine Nockenwelle (nicht dargestellt), ähnlich wie ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine ausgebildet sein und betätigt werden.
  • Wenn das Arbeitsmedium in einem geschlossen Kreislauf geführt wird, mündet die Ableitung 17.1 für das Arbeitsmedium in einen Kondensator 23. Das durch das Dampfventil 22 abgeführte Arbeitsmedium kann durch eine Ableitung 17.3 in den Kondensator 23 geleitet werden. Dort wird das Arbeitsmedium wieder verflüssigt und anschließend von einer Pumpe 25 in einen Wärmetauscher 27 gefördert. Von dort gelangt das Arbeitsmedium über die Zuleitung 15 wieder in die Vorkammer 13.
  • Figur 2 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine mit zwei Vorkammern 13.1 und 13.2, zwei Zuleitungen 15.1 und 15.2 für das Arbeitsmedium. In den Zuleitungen 15.1 und 15.2 sind zwei schaltbare Einlassventile 19.1 und 19.2 angeordnet.
  • Die Übrigen Bauteile der Kolbendampfmaschine und deren Peripherie können wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ausgeführt sein auf das hiermit Bezug genommen wird.
  • Das in der ersten Zuleitung 15.1 befindliche Arbeitsmedium hat eine höhere Temperatur als das in der zweiten Zuleitung 15.2 befindliche Arbeitsmedium. Daher wird zunächst eine bestimmte Menge des in der ersten Zuleitung 15.1 befindlichen Arbeitsmediums in die erste Vorkammer 13.1 eingebracht. Dort verdampft dieses Arbeitsmedium und gibt Arbeit an den Kolben 3 ab. Dabei verringern sich Druck und Temperatur des in Arbeitsraum 11 und Vorkammern 13.1 und 13.2 befindlichen Arbeitsmediums. Sobald sich die Temperatur des in Arbeitsraum 11 und Vorkammern 13.1 und 13.2 befindlichen Arbeitsmediums an die Temperatur des in der zweiten Zuleitung 15.2 befindlichen Arbeitsmediums angenähert hat, wird noch im gleichen Arbeitshub des Kolbens 3 Arbeitsmedium aus der zweiten Zuleitung 15.2 durch kurzzeitiges Öffnen des zweiten Einlassventils 19.2 in die zweite Vorkammer 13.2 eingebracht. Auch dieses Arbeitsmedium verdampft unmittelbar nachdem es in die Vorkammer 15.2 eingebracht wurde und gibt Arbeit an den Kolben 3 ab.
  • Mit diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine kann Wärme genutzt werden, die auf zwei Temperaturniveaus zur Verfügung steht. Dadurch kann beispielsweise die Abwärme einer Brennkraftmaschine optimal genutzt werden, da bei einer Brennkraftmaschine die Abgase bei einer Temperatur größer 200 °C anfallen, während das Kühlmittelwärme und das Öl eine Temperatur von etwa 120°C aufweisen. Um das Arbeitsmedium auf zwei verschiedene Temperaturniveaus zu bringen, sind ein erster Wärmetauscher (nicht dargestellt), der mit der Abwärme der Abgase betrieben wird, und ein zweiter Wärmetauscher (nicht dargestellt), der mit der Abwärme des Kühlwassers und des Öls beheizt wird, erforderlich.
  • Zuerst wird das wärmere Arbeitsmedium mit einer Temperatur von 200°C eingespritzt. Hat sich dieses auf 120°C abgekühlt, so wird etwas 120°C heißes Arbeitsmedium eingespritzt. Der auf die Verbrennungswärme bezogene Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors kann mit der dargestellten Kolbendampfmaschine um ca. 10% erhöht werden.
  • Die erfindungsgemäße Kolbendampfmaschine arbeitet nach dem Zweitakt-Prinzip. Ein Ansaugtakt und ein Kompressionstakt entfallen. Im Bereich des oberen Totpunktes OT des Kolbens wird das oder die Auslassventile 21 geschlossen und danach das Arbeitsmedium durch das Einlassventil 19 eingespritzt. Auf dem Weg des Kolbens 3 vom OT zum unteren Totpunkt UT verdampft, wie beschrieben, ein Teil des Arbeitsmediums. Im Bereich des UT wird das Auslassventil 21 geöffnet. Auf dem Weg des Kolbens 3 vom UT zu OT wird die verbliebene flüssige Phase und die entstandene gasförmige Phase durch das Auslassventil 21 ausgestoßen. Flüssige und gasförmige Phase können dabei das gleich Auslassventil 21 passieren oder aber es werden getrennte Ventile vorgesehen.
  • In die erfindungsgemäße Kolbendampfmaschine wird heißes flüssiges Arbeitsmedium unter Druck in eine Vorkammer der Kolbendampfmaschine eingespritzt. Das Arbeitsmittel kann unschädliches Wasser sein.
  • Figur 3 zeigt den Aufbau einer Vorkammer 13 für eine erfindungsgemäße Kolbendampfmaschine. Die Vorkammer 13 ist ähnlich wie ein Zyklonabscheider aufgebaut. Angedeutet sind die Zuleitung 15, die Ableitung 17 und die Ventile 19 und 21.
  • Das flüssige Arbeitsmittels wird im Wesentlichen tangential in die Vorkammer 13 eingebracht und bewegt sich auf einer radial außen liegenden Kreisbahn. Der bei der Flash-Verdampfung entstehende Dampf wird aufgrund seiner geringeren Dicht in die Mitte der Vorkammer 13 gedrängt, so dass eine Trennung von flüssigem und dampfförmigem Arbeitsmedium in der Vorkammer 13 stattfindet. In der Mitte der Vorkammer 13 ist eine Verbindung 29 angeordnet, welche in den Arbeitsraum 11 mündet. Über die Verbindung 29 gelangt das dampfförmige Arbeitsmedium von der Vorkammer in den Arbeitsraum 11.
  • Wenn die Vorkammer 13 unterhalb der Verbindung 29 und unterhalb des in Figur 3 nicht dargestellten Arbeitsraum 11 angeordnet wird, unterstützt die Schwerkraft die Trennung von flüssiger und dampfförmiger Phase zusätzlich.
  • Damit der entstehende Dampf nicht an Oberflächen im Arbeitsraum kondensiert müssen die betroffenen Oberflächen von Kolben 3, Zylinder 5 und Vorkammer 13 beheizt und/oder wärmegedämmt ausgeführt sein. Damit keine Wärme von den beheizten Flächen an die flüssige Phase des Arbeitsmediums abgegeben wird, können zwei alternative Maßnahmen getroffen werden.
  • Die Vorkammer 13 ist geometrisch derart ausgebildet, dass sich die eingespritzte flüssige Phase des Arbeitsmediums stabil auf einer Kreisbahn bewegen kann. Die Vorkammer 13 wird in diesem Fall als Zyklon bezeichnet. Die auf der Kreisbahn auftretenden Zentrifugalkräfte sorgen dafür, dass der entstehende Dampf, auf den aufgrund geringerer Dichte geringe Zentrifugalkräfte wirken, in den Zylinderraum der Kolbendampfmaschine entweichen kann und das flüssige Wärmeträgermedium, auf das aufgrund der großen Dichte große Zentrifugalkräfte wirken, in der Kreisbahn verbleibt. Versuche haben gezeigt, dass man auf diese Weise während des Verdampfungsprozesses eine Phasentrennung erreicht.
  • Berechnungen haben gezeigt, dass die Drehgeschwindigkeit des flüssigen Arbeitsmediums trotz der Reibung der Flüssigkeit an der Wand der Vorkammer 13 auf einem Niveau bleibt, das zur Phasentrennung ausreicht und, dass der Wärmeaustausch des flüssigen Arbeitsmediums mit der Zyklonwand bei geeigneter Dimensionierung der Maschine und Beschichtung der Vorkammerwände nicht zu einer nennenswerten Beeinträchtigung des Prozesses führt.
  • Des Weiteren konnte in Versuchen nachgewiesen werden, dass die Phasentrennung gelingt: die flüssige Phase bleibt bei der Flashverdampfung im Zyklon, während die dampfförmige Phase in den Zylinderraum entweicht.
  • Außerdem konnte der Nachweis geführt werden, dass die Konvektion der flüssigen Phase mit der Wand der Vorkammer 13 nicht erheblich ist. Im Versuch liegt nach dem Flashprozess im wesentlichen die berechnete Menge flüssige Phase vor. Konvektion hat nicht zu einer wesentlichen zusätzlichen Verdampfung geführt.
  • Schließlich konnte in Versuchen gezeigt werden, dass der Flashprozess in der Vorkammer 13 bzw. im Arbeitsraum 11 mit sehr hoher Geschwindigkeit abläuft, was für die Ausführbarkeit der Maschine wichtig ist.
  • In Figur 4 ist eine weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel entfällt die Vorkammer 13 und das flüssige Arbeitsmedium wird direkt in den Arbeitsraum 11 eingespritzt. Dies kann mit Hilfe eines aus dem Stand der Technik bekannten Injektors geschehen.
  • Das Arbeitsmedium wird beim Einspritzvorgang in kleine Tropfen zerstäubt, ähnlich wie bei der Einspritzung von Diesel-Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Die Tropfen werden durch Reibung in der Gasphase in Schwebe gehalten. Auf diese Weise können die Tropfen die heißen Oberflächen nur in geringem Umfang berühren und der Wärmeaustausch zwischen flüssiger Phase und den heißen Oberflächen wird gering gehalten.
  • Mit der erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine kann bei einer vorhandenen Wärmequelle ca. die doppelte mechanische Leistung gewonnen werden im Vergleich zu gängigen Maschinen, in denen ein ORC oder ein Kalinaprozess verwirklicht sind. Außerdem kann im Vergleich zu ORC-Prozessen und Kalinaprozessen ein ungefährliches Arbeitsmittel, beispielsweise Wasser, verwendet werden.

Claims (18)

  1. Kolbendampfmaschine mit mindestens einem Zylinder (5), wobei in dem mindestens einen Zylinder (5) ein Kolben (3) oszilliert, mit einem Arbeitsraum (11), wobei der Arbeitsraum (11) von dem Zylinder (5) und dem Kolben (3) begrenzt wird, mit mindestens einem Einlassventil (19), wobei das Arbeitsmedium durch das mindestens eine Einlassventil (19) in den Arbeitsraum (11) leitbar ist, mit mindestens einem Auslassventil (21), wobei die Kolbendampfmaschine dafür geeignet ist, dass das Arbeitsmedium in flüssiger Form mindestens mittelbar in den Arbeitsraum (11) eingebracht wird, wenn sich der Kolben (3) im Bereich eines Oberen Totpunkts (OT) oder im Arbeitstakt befindet, wobei die Kolbendampfmaschine dafür geeignet ist, dass das flüssige Arbeitsmedium über eine Zuleitung (15) zu dem Einlassventil (19) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorkammer (13) vorgesehen ist, dass der Arbeitsraum (11) und die Vorkammer (13) miteinander in Verbindung (29) stehen, dass die Kolbendampfmaschine weiter dafür geeignet ist, dass das Arbeitsmedium in flüssiger Form so in die Vorkammer (13) eingebracht wird, dass die flüssige Phase des Arbeitsmediums zum überwiegenden Teil in der Vorkammer (13) verbleibt, während die dampfförmige Phase des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum (11) strömt, und dass das Arbeitsmedium durch das mindestens eine Auslassventil (21) aus der Vorkammer (13) leitbar ist.
  2. Kolbendampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium im Wesentlichen tangential in die Vorkammer (13) eingebracht wird.
  3. Kolbendampfmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (29) zwischen Arbeitsraum (11) und Vorkammer (13) im Zentrum der Vorkammer (13) in diese mündet.
  4. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das mehrere Vorkammern (13.1, 13.2) an einem Zylinder (5) angeordnet sind, dass die Vorkammern (13.1, 13.2) mit dem Arbeitsraum (11) verbunden sind, und dass Arbeitsmedium mit unterschiedlicher Temperatur in Abhängigkeit des im Arbeitsraum (11) herrschenden Drucks und/oder der im Arbeitsraum (11) herrschenden Temperatur nacheinander in die Vorkammern (13.1 oder 13.2) oder in den Arbeitsraum (11) eingebracht wird.
  5. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einlassventile (19.1, 19.2) je Zylinder (5) vorgesehen sind.
  6. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus den verschiedenen Einlassventilen oder Injektoren (19.1, 19.2) eingespritzte flüssige Arbeitsmedium verschiedene Temperaturen aufweist, und dass das aus den verschiedenen Injektoren (19) eingespritzte flüssige Arbeitsmedium in der Reihenfolge vom wärmsten zum kältesten Arbeitsmedium eingespritzt wird, wobei das jeweils nächste Arbeitsmedium eingespritzt wird, wenn das bereits in der Vorkammer (13) oder dem Arbeitsraum (11) befindliche Arbeitsmedium die Temperatur des nächstkälteren Arbeitsmediums erreicht hat.
  7. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Arbeitsmedium in den Arbeitsraum (11) oder in die mindestens eine Vorkammer (13) mit Hilfe eines Injektors (19) eingespritzt wird.
  8. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Arbeitsmedium beim Einspritzvorgang in kleine Flüssigkeitstropfen zerstäubt wird.
  9. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium Wasser, Methanol, Pentan und/oder R134a eingesetzt wird.
  10. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (5), der Kolben (3) und/oder die mindestens eine Vorkammer (13) innen und/oder außen wärmegedämmt sind.
  11. Kolbendampfmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bevorzugt die innere Wärmedämmung aus Teflon, Email und/oder Keramik besteht.
  12. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der Zylinder (5), der Kolben (3) und/oder die mindestens eine Vorkammer (13) beheizbar sind.
  13. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dampfventil (22) vorgesehen ist, und dass mittels des Dampfventils (22) das dampfförmige Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum abgeführt wird.
  14. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Auslassventile (21) und das Dampfventil (22) im Bereich des Oberen Totpunkts (OT) geschlossen werden, dass anschließend flüssiges Arbeitsmedium in die Vorkammer (13) oder den Arbeitsraum (11) eingebracht wird, und dass im Bereich des Unteren Totpunkts (UT) das oder die Auslassventile (21) geöffnet werden.
  15. Verfahren zum Betreiben einer Kolbendampfmaschine mit mindestens einem Zylinder (5), mit mindestens einem Einlassventil (19) und mindestens einem Auslassventil (21), wobei in dem mindestens einen Zylinder (5) ein Kolben (3) oszilliert, mit einem Arbeitsraum (11) und mindestens einer Vorkammer (13), wobei der Arbeitsraum (11) von dem Zylinder (5) und dem Kolben (3) begrenzt wird, wobei der Arbeitsraum (11) und die Vorkammer (13) miteinander in Verbindung (29) stehen, und wobei mindestens ein Auslassventil (21) an der Vorkammer (13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (21) geschlossen wird, wenn sich der Kolben (3) im Bereich des Oberen Totpunkts befindet, dass flüssiges und erhitztes Arbeitsmedium in die mindestens eine Vorkammer (13) eingespritzt wird, nach dem Schließen des Auslassventils (21) und wenn sich der Kolben (3) im Bereich des Oberen Totpunkts oder im Arbeitstakt befindet, dass die flüssige Phase des Arbeitsmediums zum überwiegenden Teil in der Vorkammer (13) verbleibt, während die dampfförmige Phase des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum (11) strömt, und dass anschließend der Kolben (3) die verbliebene flüssige Phase und das dampfförmige gewordene Arbeitsmedium durch das mindestens eine Auslassventil (21) ausschiebt.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das mehrere Vorkammern (13.1, 13.2) an einem Zylinder (5) angeordnet sind, dass die Vorkammern (13.1, 13.2) mit dem Arbeitsraum (11) verbunden sind, und dass Arbeitsmedium mit unterschiedlicher Temperatur in Abhängigkeit des im Arbeitsraum (11) herrschenden Drucks und/oder der im Arbeitsraum (11) herrschenden Temperatur nacheinander in die Vorkammern (13.1 oder 13.2) oder in den Arbeitsraum (11) eingebracht wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass während des Arbeitstakts flüssiges Arbeitsmedium verschiedener Temperaturen in der Reihenfolge vom wärmsten zum kältesten Arbeitsmedium eingespritzt wird, und dass das jeweils nächste Arbeitsmedium eingespritzt wird, wenn das bereits in der Vorkammer (13) oder dem Arbeitsraum (11) befindliche Arbeitsmedium die Temperatur des nächstkälteren Arbeitsmediums erreicht hat.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auslassventil (21) geöffnet wird, wenn sich der Kolben (3) im Bereich des Unteren Totpunkts befindet.
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