WO2009016244A2 - Kwk-vorrichtung - Google Patents

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WO2009016244A2
WO2009016244A2 PCT/EP2008/060093 EP2008060093W WO2009016244A2 WO 2009016244 A2 WO2009016244 A2 WO 2009016244A2 EP 2008060093 W EP2008060093 W EP 2008060093W WO 2009016244 A2 WO2009016244 A2 WO 2009016244A2
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regenerator
medium
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Georg Albersinger
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    • F01D1/32—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with pressure velocity transformation exclusively in rotor, e.g. the rotor rotating under the influence of jets issuing from the rotor, e.g. Heron turbines
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/30—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids having the characteristics covered by two or more of groups F04C18/02, F04C18/08, F04C18/22, F04C18/24, F04C18/48, or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members
    • F04C18/40—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids having the characteristics covered by two or more of groups F04C18/02, F04C18/08, F04C18/22, F04C18/24, F04C18/48, or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F04C18/08 or F04C18/22 and having a hinged member
    • F04C18/46—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids having the characteristics covered by two or more of groups F04C18/02, F04C18/08, F04C18/22, F04C18/24, F04C18/48, or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F04C18/08 or F04C18/22 and having a hinged member with vanes hinged to the outer member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C23/00—Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C23/008—Hermetic pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
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    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
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    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation

Definitions

  • the present invention relates to a cogeneration apparatus.
  • combustion engines operated with liquid and gaseous fuels (eg diesel, gasoline, vegetable oils, natural gas, biogas) with closed combustion and coupled generator.
  • liquid and gaseous fuels eg diesel, gasoline, vegetable oils, natural gas, biogas
  • closed combustion and coupled generator Internal combustion engines are currently the only usable and standard available sources of power for CHP plants The only real advantage is the relatively high electrical efficiency. Otherwise, these units are practically unsuitable for CHP systems.
  • Serious disadvantages of combustion engines include harmful exhaust gases, difficult-to-control noise, high wear, high maintenance, short life, high costs and low efficiency. These disadvantages are mainly due to the closed explosive combustion process.
  • ORC systems are steam systems which are operated with organic liquids instead of water. They are already in use in small numbers, but only with outputs of over 500 kW. They are suitable for all combustible forms of energy. These facilities are very complex and expensive. The efficiency is so far very low.
  • the efficiency of a steam power plant is essentially determined by the expansion machine for converting the steam energy into mechanical energy.
  • turbomachines that use only the flow energy of the medium. Since a turbomachine does not have dense work spaces or chambers, at standstill, a portion of the medium can flow through the machine without a movement is triggered. A turbine therefore only delivers power at a high flow velocity. Good efficiency requires several turbine stages in a row, a large volume flow, high speeds, high temperatures and therefore the best available ren materials.
  • the main advantage of turbomachines is that they have no seal between the housing and rotor, which hardly friction losses occur and thereby results in a long life.
  • the continuous operation is another advantage. Turbines, however, do not operate economically at lower power.
  • turbomachines are pressure-based displacement machines, such as e.g. Piston machines (rotary, rotary, circular and reciprocating piston machines; see Dubbel, Taschenbuch für die Maschinenbau, 21st edition, K.-H. Grote et al., Springer Verlag, ISBN 3-540-22142-5 ,, Chapter P , especially page P2). They work continuously or cyclically by means of pressure-tight working spaces. However, the friction losses on the seals destroy the advantages of the otherwise more efficient displacement principle and shorten the life of the machine. In addition, most of these displacement machines are better suited as pumps than motors because of their displacement and working geometry.
  • EP 1 317 605 B1 discloses a CHP device.
  • a circulating medium is vaporized in a steam generator, expanded in a turbine of a turbogenerator, cooled in a heat exchanger and then condensed in a condenser.
  • An integrated in the turbine generator feed pump directs the ciculating medium directly through the heat exchanger to the steam generator.
  • the turbogenerator includes a generator.
  • US Pat. No. 4,629,396 discloses a high-pressure radial turbine.
  • the object of the invention is to provide a cogeneration device which has a very good efficiency and has a long service life.
  • the cogeneration apparatus comprises a steam-driven engine, a heat exchanger for evaporating a fluid to drive the engine, a generator driven by the engine, and a medium-tight housing in which the engine, the heat exchanger and the generator are located.
  • the engine, the heat exchanger and the generator are thus pressure-tight and thermally encapsulated in a common housing.
  • encapsulation allows efficient use of the heat supplied to the CHP device, since the heat remains within the housing and can be efficiently converted into mechanical or electrical energy.
  • encapsulation allows the use of special fluids in a circuit between the heat exchanger and the engine, since the encapsulation safely prevents leakage to the environment.
  • a capacitor for condensing the fluid is still provided in the housing.
  • the condenser is connected to a leading to the outside of the housing cooling circuit, so that excess heat in the housing is targeted for use outside the housing is supplied and is not released as unused waste heat to the environment.
  • the housing is thermally insulated.
  • the CHP device is arranged vertically, so that the heat exchanger is flowed through exclusively in the vertical direction.
  • the KWK device preferably has an engine, which is provided with a stationary stator and a rotatably mounted rotor, with at least one working space which is formed between the stator and the rotor in the direction of rotation of an inner and outer boundary surface.
  • the working space has an inlet-side inlet for supplying fluid.
  • On one of the boundary surfaces at least one wing which can be positioned in an adjustable manner for limiting the working space is arranged at the end of the working space opposite the inlet.
  • the wing can be issued with a free end edge in the direction of the opposite boundary surface.
  • a stop is provided such that the wing is adjusted in its issued working position with its free end edge exactly on the opposite boundary surface and thereby is moved parallel to the opposite boundary surface.
  • This engine is an independent invention that can also be used independently of the CHP device to generate a rotary motion from pressurized steam.
  • a uniform pressurization of the working space is provided, which is broken down intermittently.
  • the machine works only in one direction of movement.
  • the wing moves with its free end edge parallel to the opposite boundary surface.
  • the wing can be adjusted in its issued working position such that it moves with a very small distance along the boundary surface and in this way almost no friction losses occur.
  • a seal can be provided, which seals the gap between the wing and the boundary surface, with no significant forces from the wing on the seal Ü transferred.
  • the size of the working space is limited and the pressure applied to the wing generates a rotational force. Due to the closed expansion development, a continuous rotational movement occurs.
  • the device according to the invention is intended for operation with heat (energy) from open combustion and waste heat of any origin.
  • the conversion of the heat into electrical energy takes place essentially in a known manner with a steam process.
  • any other suitable organic medium can be used as the vapor medium.
  • the CHP plant is designed for plant sizes that are suitable for decentralized use.
  • the engine is preferably designed so that the wing is moved in its raised working position with its free end edge parallel to the opposite boundary surface.
  • the inner and outer boundary surface of the working space (82) are formed at a constant distance.
  • Combustion engine can further be such that at least the formed ⁇ opposite the wing boundary surface forms a circular segment with a center point which coincides with the center of rotation of the rotor.
  • the inlet at the working space preferably has at least one nozzle.
  • the engine can be developed such ⁇ that the fluid in the working space sets up the at least one wing from a rest position to a working position and the rotor in a rotational movement.
  • the rotor of the engine can be designed as an external rotor and the wing on the inner circumferential surface of the rotor can be arranged to pivot inwards.
  • the wing can be acted upon by means of a spring element on the inner peripheral surface of the rotor, that it is biased by spring bias inwardly into the working position and can be pressed by the centrifugal force from a rated speed to the outside in a rest position.
  • the wing In the rest position, the wing is substantially adapted to the contour of the inner circumferential surface of the rotor, in particular, in the rest position, the wing is retractable in a respective recess of the inner peripheral surface of the rotor.
  • the recess has an upstream pocket (89) in the direction of the incoming fluid, in which the fluid flowing into the working space can engage to set up the wing from the rest position.
  • these can be positioned inwardly protruding so that they complete the working space except for a small gap between the stator and the wing.
  • the working position of the wing can be defined by a stop on the rotor.
  • the working space preferably has substantially the shape of a ring section.
  • a wing may have in cross-section substantially the shape of an obtuse triangle with a base and a tip opposite to the base.
  • the wing may have a base portion and a short and a long leg portion, wherein the wing is mounted in the region of the tip.
  • the base portion is in the rest position of the at least one wing preferably conforming to the inside surface of the rotor, the base portion being located in the working position on the side facing away from the direction of the inflowing fluid, the long leg portion being in working position in the direction to the direction is arranged in the working position of the short leg portion on a stop surface of the inner peripheral surface of the rotor, to fix the working position of the wing.
  • the rotor preferably has an odd number of blades, in particular three to fifteen blades.
  • the engine preferably has a plurality of work spaces, in particular two work spaces and five wings.
  • the work spaces and the wings are each equidistant from each other.
  • Engine may be designed so that the angular range over which each extend the opposite edges of the wings, greater than the angular distance of adjacent wings, so that continuously at least one of the wings in a working space in working position.
  • FIG. 2 shows the engine of FIG. 1 in a sectional view transversely to the axis of rotation
  • 3 shows the engine of FIG. 1 in a perspective broken sectional view
  • FIG. 4 shows the engine of FIG. 1 in an exploded view
  • Fig. 5 shows a portion of the engine of FIG. 1 in another perspective cutaway sectional view
  • Fig. 6 shows the engine of Fig. 1 in another perspective cutaway sectional view.
  • FIG. 7 shows a perspective view of a heat exchanger with regenerator for a CHP device from FIG. 1;
  • FIG. 8 shows a cross-section through the center region of a heat exchanger for a non-subdivided CHP device between a first guide and a second guide for flowing through a vaporizable medium
  • FIG. 9 shows a schematic cross section through the lower region of a heat exchanger for a cogeneration apparatus, in which the intermediate space for guiding the vaporizable medium is subdivided by a thermal partition wall;
  • FIG. 10 is a schematic, partially sectioned perspective view of the inlet region for the medium to be evaporated opposite end of the heat exchanger of Figure 7 for the outlet of live steam from the heat exchanger and for the return of exhaust steam in the heat exchanger, wherein at this end of the heat exchanger, a device for Generating electricity or mechanical work and / or kinetic energy directly and immediately;
  • Fig. 11 is a partially cutaway perspective view of the inlet portion of the heat exchanger of Fig. 7 for the medium to be evaporated and the outlet portion of the regenerator for the heat-extracted exhaust steam.
  • 1 shows a CHP device 1 with an engine 2 according to the invention.
  • the CHP device 1 has a housing 3.
  • the housing 3 comprises a circular top wall 4, a circular bottom wall 5 and a cylindrical side wall 6.
  • a first upper housing area 7 is separated from a central housing area 8 by a first upper horizontal intermediate wall 9.
  • the middle housing portion 8 is separated from a lower housing portion 10 by a second lower horizontal intermediate wall 11.
  • a heat exchanger 13 for generating steam from a vapor medium 18 is arranged along a longitudinal axis 12.
  • the heat exchanger 13 extends over the lower and middle housing portion 10, 8.
  • a generator 14 is arranged to generate electricity.
  • the heat exchanger 13 is surrounded by the engine 2, which has a stator 15 and a rotor 16.
  • a condenser 17 for liquefying the vapor medium 18 is arranged in addition to the heat exchanger 13.
  • the lower housing portion 10 forms an annular medium reservoir 19 for the liquid vapor medium 18.
  • the heat exchanger 13 is cylindrical along the longitudinal axis 12 of the CHP device 1 and arranged approximately concentric with the longitudinal axis 12. At the upper end of the heat exchanger 13 an aligned with the longitudinal axis 12 inlet pipe 20 for supplying a thermal energy-containing heat carrier 21 is provided.
  • a suitable liquid heat carrier 21 may be, for example, water, oil, thermal oil or a suitable gaseous heat carrier 21 may be hot air, exhaust gas, flue gas.
  • the inlet tube 20 opens at its lower end into a heater tube register 22 of the heat exchanger 13.
  • the heater tube register 22 is composed of a plurality of individual heater tubes 23.
  • the heater tubes 23 are each surrounded by regenerator tubes 24 for receiving a vapor medium 18.
  • the areas between the heater tubes 23 and regenerator tubes 24 thus form a plurality of evaporation chambers 25.
  • a tubular housing 26 is arranged, wherein the space between the regenerator tubes 24 and the inner surface of the housing 26 forms a regenerator chamber 27.
  • the heater tubes 23 are fixed at their ends to openings of a lower and an upper heater hole plate 28, 29, respectively.
  • the outer periphery of the perforated plates is flush with the inner surface of the housing 26 of the heat exchanger 13.
  • regenerator tubes 24 are secured with their ends respectively to openings of a lower and an upper Regeneratorlochplatte 30, 31.
  • the outer circumference of the perforated plates in turn terminates flush with the inner surface of the housing 20 of the heat exchanger 13.
  • heater tubes 23 extend therethrough.
  • the regenerator hole plates 30, 31 are arranged within the heater hole plates 30, 31, so that the perforated plates 30, 31, the heat exchanger 13 seal like a scarf.
  • the tubes 23, 24 and the housing 26 each have a circular cross section, which is also preferred but not mandatory.
  • the heat exchanger can also be designed plate-shaped.
  • the evaporation chambers 25 can also be formed such that short tube segments 32 are arranged concentrically in the lower region of the evaporation chambers between the heater tubes 23 and the regenerator tubes 24 and project with their lower ends into the intermediate region between the lower heater hole plate 28 and the lower regenerator hole plate 30 ,
  • the lower ends of these tube segments 32 are each secured to openings of a perforated plate 33, which in turn is flush with the housing 20 of the heat exchanger 13.
  • the space between the lower heater hole plate 28 and the lower regenerator hole plate 30 is divided by the intermediate hole plate 33 into lower and upper charge chambers 34, 35 for supplying vapor medium 18 to the vaporization chambers 25.
  • the heater tubes 23 open into a common downwardly directed outlet tube 36 for discharging the heat carrier 21st
  • the tubular housing 30 of the heat exchanger 13 has two rows of steam medium supply openings 37 disposed one above the other and arranged around one another.
  • an annular feed channel 38 is formed on the outside.
  • a feed line 39 into which via a pump 40, the vapor medium 18 is supplied.
  • the supply line 39 is angled downwards and ends openly a piece above the bottom wall 5 so that it projects into the medium reservoir 19.
  • the annular medium reservoir 19 is bounded by the lower portion of the cylindrical side wall 6 of the housing 3, the bottom wall 5 and by a cylindrical segment 41 extending from the bottom wall 5 to the annular feed channel 38.
  • the pump 40 may also be arranged outside the housing 3.
  • the area between the upper heater hole plate 29 and the upper regenerator hole plate 31 forms a steam chamber 42 into which the evaporation chambers 25 open.
  • a plurality of circulating steam medium outlet openings 43 are formed in the housing 26 of the heat exchanger 13.
  • the Dampfmediumauslassö réelleen 43 are approximately rectangular and form a series of openings, which are each arranged at the same distance from each other.
  • the heat exchanger 13 In the area of the steam medium outlet openings 43 and the steam medium inlet openings 44, the heat exchanger 13 is surrounded by the engine 2.
  • the stator 15 is arranged fixedly directly on the housing 26 of the heat exchanger 4 and the rotatably mounted rotor 16 encloses the stator 15 with its essential elements.
  • the rotor 16 is rotatable in the direction of rotation 45.
  • the stator 15 has a disk-shaped upper boundary wall 46, a disk-annular lower boundary wall 47 and a cylindrical inner wall 48 extending between the boundary walls 46, 47.
  • the boundary walls 46, 47 are perpendicular to the housing 26 of the heat exchanger 13 and close with its inner edge flush with the housing 26.
  • the inner wall 48 is arranged at a distance concentric with the housing 26.
  • An annular ridge 49 is centered between the two Begrenzungswandeptept 46, 47 arranged on the inner surface of the inner wall 48.
  • the annular rib 49 extends from the inner wall 48 to the housing 26 of the heat exchanger 13.
  • the annular rib 49 divides the region between the upper and lower boundary walls 46, 47, the inner wall 48 and the housing 26 of the heat exchanger 13 into an upper circumferential inlet channel 50 and a lower circumferential outlet channel 51.
  • inlet openings 52 are formed in the inlet channel 50.
  • the inlet openings 52 have the same angular distance from each other. In the present embodiment, only two inlet openings 52 are provided, which are 180 ° zueinender offset.
  • the inlet openings 52 each open into a nozzle chamber 53.
  • Arced baffles 54 each extend from the inner wall 48 from the rearward end in the direction of rotation 45 of one of the inlet openings 52 in the direction of rotation and radially outward beyond the respective inlet opening.
  • the guide plates 54 At their radially outer end region, each extend beyond the outer edge of the boundary walls 46, 47 (FIG. 4) and have a nozzle section 55.
  • the nozzle portion 55 has a nozzle outer surface 56 which is concentric with the axis of rotation of the rotor 16.
  • the guide vanes 54 form, with their surfaces facing the inlet opening 52, rear concave nozzle surfaces 57.
  • the nozzle chamber 53 is delimited in the direction of rotation 45 to the front by an arcuate front convex nozzle surface 58, which extends from the direction of rotation 45 forward end of the inlet opening 52 radially outward to near extends to the nozzle portion 55.
  • the nozzle portion 55 is bounded laterally each with a side wall 59 which is flush with the inner surface of the boundary walls 46, 47 and extends a little bit forward in the direction of rotation 45.
  • a flow channel is formed, which tapers radially outward and forms a nozzle 60 at its end.
  • the front convex nozzle surface 58 is formed on a solid shaped body 61.
  • This shaped body 61 is integrally formed on the inner wall 48 and is bounded radially inwardly by the inner wall.
  • the molded body 61 extends from the convex nozzle surface 58 in the direction of rotation 45 concentric to the longitudinal axis 12 of the cogeneration device 1, which simultaneously forms the axis of rotation 12 of the rotor.
  • the front convex nozzle surface 58 extends from the nozzle 60 with continuous continuation of the convex arc shape a little bit radially inward. There, the arch shape meets a concentric with the axis of rotation 12 surface, which is referred to below as the inner boundary surface 62 of a working space.
  • the shaped body 61 has a radially extending end face 63. This end face 63 is perpendicular to the inner wall 48th
  • the molded body 61 may also be hollow.
  • an outlet opening 64 is formed in the inner wall 48 in the region of the outlet channel 51. This outlet opening 64 extends in the vertical direction between the lower boundary wall 47 of the stator 15 and the annular web 49 and in the direction of rotation 45 from the end face 63 to the beginning of the arcuate guide plate 54.
  • Vertically aligned guide plates 65 are arranged between the end faces 63 and the arcuate guide plates 54 arranged at the front in the direction of rotation 45. These guide plates 65 have, radially outward, a leading edge 66 which extends gradually radially outwards from the inner boundary surface 62 to the nozzle section 55 of the arcuate guide plate 54. Radially inside, the guide plates 65 have a free edge 67, which is formed at a distance from the inner wall 48 (FIG. 2).
  • the rotor 16 has a cylindrical rotor body 68 which surrounds the stator 15 concentrically. At the lower end of the cylindrical rotor body 68, a lower annular attachment 69 is formed radially inwardly facing. In the upper area, an upper annular attachment 70 is provided, which is likewise designed to point radially inward. The end surfaces of the upper and lower annular attachment 69, 70 protrude inwardly such that they receive the end faces of the upper and the lower boundary wall 46, 47 of the stator 15 almost free of play or flush with them. In the area between the upper and lower annular attachment 69, an approximately cylindrical insulation 71 is provided on the inside of the cylindrical rotor body 68. The insulation 71 may be formed for example of plastic, ceramic or other suitable material.
  • the cylindrical insulation 71 and the inner surfaces of the upper and lower annular attachment 69, 70 comprise the nozzle portion 55, wherein the annular attachments 69, 70, the side walls 59 of the nozzle 60 record almost no play.
  • the nozzle outer surface 56 of the nozzle portion 55 is arranged to the inner surface of the rotor 16 and its insulation 71 almost free of play, wherein both surfaces are concentric with each other.
  • equidistantly arranged recesses 72 are provided for receiving a respective vane 73 in a radially encircling manner.
  • the recesses 72 each extend counter to the direction of rotation 45 slightly beyond the blade 73 located in its rest position and arranged in the recess, so that a pocket 89 is formed in each case.
  • the number of recesses 72 and the wings 73 may be arbitrary per se. In principle, the engine according to the invention would function with a single vane 73. Several wings are preferred, as it is then possible to form uninterrupted working spaces.
  • the number of vanes 73 may therefore be two to fifteen and preferably five, wherein the number of vanes is preferably not an integer multiple of the number of nozzles or the working spaces.
  • the angular distance of two adjacent blades 73 is slightly smaller than the angular range over which the inner boundary surface 62 extends, so that a wing 73 is always arranged opposite the respective inner boundary surfaces 62 and a working space is always formed on the inner boundary surfaces.
  • the wings 73 have a triangular shape in longitudinal section, with a base portion 74, a short leg portion 75 and a long leg portion 76. In the region of the tip between the two leg portions 75, 76, a through hole 77 is formed for receiving a pin 78.
  • the short leg portion 75 extends in the direction of rotation 45 and the long leg portion 57 against the direction of rotation 45.
  • the arranged in the through hole 77 pin 78 is with its ends in a blind hole in the upper and lower Ring attachment 69, 70 added.
  • the wing 73 is pivotally mounted about the parallel to the rotation axis 45 aligned pin 78.
  • the base portion 74 of the wing 73 is compliant with the insulation 71, wherein the base portion 74 has the same curvature as the inner surface of the insulation 71. In the rest position, the wings 73 thus form a uniform, continuous contour with the insulation 71.
  • the short leg section 75 bears against a stop surface 79 formed in the recess 72 of the insulation 71 in the region of the short leg section 75, in order to fix the working position of the wing 73.
  • the stop surface 79 together with the short leg portion 75, a stop 80 for precisely setting the working position of the wing 73.
  • In the working position of the wing 73 is aligned with its long leg portion 76 in the direction of the inner boundary surface 62 of the working space.
  • the stop 80 can also be adjusted such that the free end edge 81 minimally abuts the boundary surface of the working space 62, but here disadvantageous friction losses occur.
  • the height of the pivoting vanes corresponds approximately to the vertical distance from the upper annular attachment 70 to the lower annular attachment 69.
  • the rotor 16 On the upper side, the rotor 16 has a disk-annular top wall 83, in the middle of which a tubular shaft 84 is arranged.
  • the shaft 84 surrounds the inlet tube 20 in the upper housing region 7 and is received in the first horizontal intermediate wall 9 of the housing 3 and in the top wall 4 of the housing 3 by a respective bearing 85.
  • a generator 14 is arranged around the shaft portion of the shaft 84, which generates electricity from the rotational movement of the shaft, which is then available to a consumer.
  • annular capacitor 17 is provided for liquefying the vapor medium 18 along the cylindrical side wall 6.
  • the condenser is spaced from the cylindrical side wall 6 and also spacedly surrounds the heat exchanger 13 in this area.
  • the condenser 17 can be charged via a feed line 87 and a discharge line 88 with a cooling medium.
  • ribs may be formed to increase the heat transfer area.
  • the CHP device 1 is supplied with a hot heat transfer medium.
  • the heat transfer medium is heated, for example, by the waste heat of a machine or is heated by means of a specially provided hearth, which is fired with different fuel materials, such as gas, oil or wood pellets, the heat carrier enters the heater tubes 23 of the heat exchanger 13 and flows through them from top to bottom. At the lower end of the heat exchange, the heat transfer medium exits at outlet pipe 36. In the heat exchanger 13, the heat of the heat carrier is transferred to a vapor medium 18, which is located in the evaporation chambers 25. The vapor medium is supplied from the medium reservoir 19 to the heat accumulator 13 by means of the pump 40.
  • the steam medium 18 warming up in the heat exchanger 13 rises upwards, enters the steam chamber 42 of the heat exchanger 13 and exits from the heat exchanger 13 through the steam medium outlet openings 43 and into the inlet duct 50 of the engine 2. From the inlet channel 50, the pressurized vapor medium enters the nozzle chambers 53 through the inlet openings. As the flow channel in the Düsensch 53 tapers in the direction of the nozzle 60, the steam is accelerated and enters from the nozzle 60 into the working space 82 a.
  • the working space is defined by the inner boundary surface 62, an outer boundary surface represented by the inner surface of the insulator 71, the ring bosses 68, 69, the nozzle portion 55, and one of the flared wings 73. As a result, the work space is closed - apart from any existing columns.
  • the vanes 73 Upon passing the nozzle portion 55, the vanes 73 are at a rated speed due to the centrifugal force in the respective recesses 72. After passing through the nozzle portion 55, a portion of the vapor flowing from the nozzle 60 enters the pocket 89 and pivots the vane 73 out of it Rest position in the working position, so that the work space is closed.
  • the rotor is continuously moved in the direction of rotation 45, which in turn corresponds to the principles of a turbine. If a wing 73 passes through the nozzle section 55, then in normal operation it is pivoted into the corresponding recess 72 of the rotor 16 due to the centrifugal force.
  • the recess extends in the direction of rotation a distance beyond the wing 73 to the rear, so that the steam discharged through the nozzle 60 passes into the recess 72 behind the long leg portion 67 and swings the wing from its rest position to its working position.
  • the pivoting movement is limited by the stop 80, when it reaches the wing assumes its working position.
  • the free end edge 81 is located adjacent to the inner boundary surface 62.
  • between the free end edge 81 and the boundary edge 62 formed a small gap.
  • a seal is provided, then it is designed such that no appreciable forces are exerted by the respective vane 73 on the inner boundary surface 62 and the seal slides along the boundary surface 62 only with slight pressure. This ensures that the force exerted on the wing is primarily transmitted to the rotor 16.
  • the seal is mechanically decoupled from the wing. This can be realized for example by an elastic seal or a liquid seal. The mechanical decoupling ensures that the vane discharges the pressure exerted on it mainly into the rotor.
  • wing 73 is moved along the entire inner boundary surface 62, in which case the working space increasingly expands.
  • the power stroke is completed.
  • the vane 73 extends beyond the inner boundary surface 62 in the direction of rotation 45, the vapor can escape inwards, since the working space is no longer closed. As a result, the pressure is reduced, which abuts the wing 73, whereby this pivots back into the recess 72 due to the centrifugal force.
  • the vane passes the next nozzle portion 55 with its nozzle outer surface 56 without coming into contact therewith.
  • the nozzle outer surface 56 has a certain extent in the direction of rotation, so that it conforms over this area to the inner surface of the rotor with a small gap and accomplishes a good sealing of the working space.
  • the nozzle outer surface 56 is formed longer in the circumferential direction than the pocket 89. This ensures that when one of the pockets 89 is adjacent one of the nozzle sections 55 it is completely covered by the nozzle outer surface 56. When starting the engine, it may be that the bag is located adjacent to the nozzle portion and the corresponding wing 73 is still in the recess. If the nozzle outer surface did not completely cover the pocket 89, then it could be that the steam escapes counter to the direction of rotation 45 through the pocket 89 between the nozzle section 55 and the insulation, whereby no pressure could build up in the working space and the engine could not start ,
  • the steam flowing across the inner boundary surface 62 passes inwardly through the outlet openings 64 into the outlet channel 51 and from there via the steam medium inlet opening 44 out of the engine 2 and into the heat exchanger 13.
  • the guide plates 65 are arranged at a distance from the inner wall 48, so that no dead spaces arise here and steam can flow under the guide plates 65 through to the outlet opening.
  • the steam discharged from the engine is in the regenerator chamber 27.
  • the regenerator chamber 27 the steam flows downward and discharges its remaining heat energy to the evaporating chamber 25. It emerges from the heat exchanger 13 at the lower end of the heat exchanger 13 at Dampfmediumsab Industriesöff- 88 and in the lower housing portion 10 of the CHP device 1 a.
  • the condenser 17 where the vapor medium can give off residual heat until it condenses and collects in the medium reservoir 19.
  • the heat absorbed in the condenser can be discharged via a cooling circuit, which is connected to the supply line 86 and discharge line 87.
  • the cooling circuit can be used for heating, for example. A floor heating of a building.
  • the pressure in the steam can be very efficiently converted into motion in a continuous rotary motion, since, on the one hand, minimal friction losses occur and, on the other hand, in a quasi-balanced manner. closed working space the wings are pressurized.
  • the continuous rotational movement also allows a simple, low-resistance design of the engine.
  • the engine is particularly advantageous in a CHP device, wherein the engine 2 is connected to a generator 14 for generating electrical energy.
  • the waste heat of the engine can be efficiently used to feed a cooling circuit (condenser).
  • the housing 3 of the cogeneration device is completely isolated, as a result, the total heat losses remain due to waste heat on the generator, friction and unused heat energy in the engine in the cogeneration device and can be discharged controlled at the condenser for feeding the cooling circuit.
  • the housing 3 is preferably pressure-tight, so that the elements contained therein are sealed in a gastight manner from the outside world.
  • the housing may be filled with a medium for transferring heat, which in the present embodiment is the vapor medium which gives off its heat to the condenser.
  • the engine is arranged directly on the heat exchanger, so that no long transmission paths for transferring the steam between the heat exchanger and the engine are necessary. This also makes the entire CHP device very compact.
  • a CHP device 1 is described with a special, preferred heat exchanger.
  • other heat exchangers can be used.
  • the basic principle of heat exchangers suitable for the CHP device according to the invention will be explained below.
  • the primary function of these heat exchangers is the evaporation of the vapor medium, which is why they can also be referred to as evaporators
  • the heat exchanger 13 for a vapor medium 18 has at least one first guide 91 with a first intermediate space or chamber 92 for a heat carrier 21. It is also apparent from FIGS. 8 and 9 that the heat exchanger 13 comprises a second guide 93 for the vapor medium 18, which surrounds the first guide 91 with the formation of the evaporation chamber 25.
  • the vapor medium 18 flows and is evaporated here to live steam 94, which serves to drive the engine 2.
  • the heat exchanger 13 may further comprise a third guide 95 for regenerating the vapor medium 18 in countercurrent, said third guide 95 surrounds the second guide 93 to form a regenerator-like gap 97.
  • the exhaust steam (steam medium 18) utilized by the engine 2 flows.
  • a fourth guide 98 can be provided, which is arranged between the second guide 93 and the third guide 95 and provides a further heat exchanger chamber.
  • the guides are arranged vertically, so that the heat carrier 21 and the vapor medium 18 flow vertically through the heat exchanger 13.
  • the steam medium to be heated flows countercurrently both to the heat carrier and to the exhaust steam leaving the engine and to be regenerated.
  • Steam medium is supplied to the lower end of the heat exchanger and flows upwards.
  • the media to be cooled (heat transfer medium, exhaust steam) flow downwards.
  • the CHP device 1 described above has a special engine 2.
  • other force 2 in particular other turbomachines are used, in particular pressure-based displacement machines, such as piston machines (rotary, rotary, circular and reciprocating engines).
  • the thermal losses are extremely low, since the housing can be made compact and outwardly due to the small Surface gives off little heat.
  • the Dampfmediumab- are provided openings 88 in the housing 26 of the heat exchanger 13 of two rows of holes or slots, the openings of the two rows of holes or slots are arranged offset from one another, so that between the individual openings 88 formed vertical webs 98 are each disposed adjacent to an opening of the other hole or row of slots.
  • the two rows of holes and slots are arranged at a small distance from each other, so that thin horizontal webs 99 are formed between the two rows of holes or slots.
  • the horizontal webs 99 have a certain elasticity, which makes it possible to compensate thermal length differences of the heat exchanger components in the region of the rows of holes and slots of the Dampfmediumabriosö réelle 88.
  • This staggered arrangement of the openings 37 and 88 represents an independent idea of the invention, which can also be used independently of the cogeneration device to a heat exchanger.
  • the stator with the nozzle portion may be rotatably formed as a rotor and the previous rotor may be fixedly arranged.
  • the vanes can also be designed as slides, which are exposed by centrifugal force until they strike against a stop. Swing vanes, however, are preferred because of low friction against slider vanes.
  • the wings are also possible to arrange the wings on the outside or inside stator, but they are then not actuated by centrifugal force, but by an elastic element, in particular a spring element, are to be acted upon, with a sliding edge or a sliding bearing along a control surface are guided, whereby the wing between its rest position and its working position is moved back and forth.
  • an elastic element in particular a spring element
  • the above-described embodiment of the wings is preferred since such a control by means of a guide surface causes additional friction.
  • the wings are preferably arranged in the working position with a small gap with respect to the opposite boundary surface of the working space, so that no friction occurs.
  • these gaps can be sealed. This is possible, in particular, by means of a liquid seal comprising, for example, glycerol.
  • the glycerine is added once to the engine and permanently seals the gaps between the wings and the surfaces adjacent to the wings. Due to the centrifugal forces, the liquid does not get into the heat exchanger through the outlet openings.
  • the liquid has a higher boiling point than the vapor medium, so that it does not evaporate and a thin liquid film seals the gaps in the working space.
  • the gaps in particular between the wings and the opposite boundary surface, can also by means of plastic seals, metal seals (eg Spring plate) as long as it is ensured that these seals do not cause high friction.
  • the wings are also possible to arrange the wings on the stator. Then the nozzles are to be arranged on the rotor, so that in operation always the wings and the nozzles are moved relative to each other.
  • the working space is limited by an inner boundary surface and an outer boundary surface (in the above embodiment: inner surface of the insulation), which are formed substantially parallel to each other, so that the working space has substantially the same cross-sectional area over its entire longitudinal extent.
  • the nozzles can also be arranged elsewhere, in particular on walls which laterally delimit the working space.
  • the arrangement shown in the above-described embodiment on the backward in the direction of rotation end of the working space is preferred because it allows a maximum travel of the wing under pressure.
  • the working space should extend over an angular range of more than 180 °.
  • the engine and / or the CHP device is provided with a control device which controls the flows, in particular of the heat carrier and / or the
  • this CHP device is characterized by the fact that there is no flow in the flow path of the steam
  • Valves, chokes and long transmission lines are arranged, which makes the powerplant very robust and reliable. Due to the immediate arrangement of
  • the generator may be provided with a supply line for liquid vapor medium with which the generator is cooled.
  • the vapor medium is vaporized in the generator and the gaseous vapor medium down in the CHP device is guided through openings 90 in the housing 26 of the heat exchanger 13 in the regenerator 27.
  • the interior of the housing of the cogeneration device may be filled with nitrogen, which is circulated in the circuit and cools at the regenerator and / or at the condenser and serves to cool the generator and / or the engine.
  • the engine is characterized in that a working space is limited by a hinged wing, which is adjusted by means of a stop with a minimum distance to an opposite boundary surface, so that the wing is displaced by a medium located in a working space to a rotor move, with no friction between the wing and the opposite boundary surface occurs.
  • the cogeneration device (cogeneration device) is characterized in that a steam-driven engine, a generator and a heat exchangers are arranged in a housing. Through the housing, these elements are encapsulated against the environment both thermally and pressure-tight.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine KWK-Vorrichtung mit einer solchen Kraftmaschine. Die KWK-Vorrichtung (Kraft-Wärmekopplungs-Vorrichtung) zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Gehäuse eine mit Dampf betriebene Kraftmaschine, ein Generator und ein Wärmetausche angeordnet sind. Durch das Gehäuse sind diese Elemente gegenüber der Umwelt sowohl thermisch als auch druckdicht abgekapselt.

Description

KWK-Vorrichtunα
Die vorliegende Erfindung betrifft eine KWK-Vorrichtung.
Im stationären Bereich (Wohnen und Arbeiten) wird die Energie fast ausschließlich zur Strom- und Wärmeerzeugung aufgewendet. Die Stromerzeugung erfolgt heute fast ausschließlich in dezentralen Großkraftwerken, welche z.B. in Deutschland einen durchschnittlichen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 30% haben. Dabei fallen 70% der eingesetzten Energie als Abwärme an, die kaum genutzt werden kann weil sie nicht zum Verbraucher transportiert werden kann. Gleichzeitig wird zum Beheizen von Wohn- und Arbeitsräumen zusätzliche Energie verbraucht um ausschließlich
Wärme zu erzeugen.
Erzeugt man den Strom am Ort des Wärmebedarfs mit einer dezentralen Kraft- Wärme-Kopplungs-Anlage (Anlage) ist es möglich, die dabei anfallende Abwärme zu nutzen. Dies erfordert aber kleine dem jeweiligen Wärmebedarf angepasste KWK- Anlagen. Ein Ziel des zukünftigen Energieeinsatzes sollte sein, jeglichen Wärmebedarf aus der Abwärme der Stromerzeugung zu decken.
In Großkraftwerken wird der Strom überwiegend durch Verbrennung fossiler Energie- träger unter Einsatz von Gas- und Dampfturbinen erzeugt. Diese Großkraftwerke erreichen zwar wegen ihrer Größe die besten elektrischen Wirkungsgrade und Abgaswerte, ermöglichen aber kaum eine Nutzung der Abwärme. Eine Verkleinerung dieser Großkraftwerks-Technologien ist bisher nur bei erheblichen Wirkungsgradeinbußen gelungen.
Im Bereich der dezentralen KWK-Anlagen sind aufgrund des erheblichen Bedarfs bereits verschiedene Systemen bekannt oder in der Entwicklung. Eine Möglichkeit sind mit flüssigen und gasförmigen Brennstoffen (z.B. Diesel, Benzin, Pflanzenöle, Erdgas, Biogas) betriebene Verbrennungsmotoren mit geschlossener Verbrennung und angekoppeltem Generator. Verbrennungsmotoren stellen zur Zeit die einzigen brauchbaren und serienmäßig verfügbaren Antriebsquellen für KWK-Anlagen dar. Ihr einziger wirklicher Vorteil liegt im relativ hohen elektrischen Wirkungsgrad. Ansonsten sind diese Aggregate für KWK-Anlagen praktisch ungeeignet. Gravierende Nachteile der Verbrennungsmotoren sind schädliche Abgase, schwer beherrschbare Lärmentwicklung, hoher Verschleiß, hoher Wartungsaufwand, kurze Lebensdauer, hohe Kos- ten und niedrige Wirtschaftlichkeit. Diese Nachteile sind hauptsächlich auf den geschlossenen explosionsartigen Verbrennungsvorgang zurückzuführen.
Es gibt auch diverse Systeme die mit offener Verbrennung arbeiten. Diese haben die meisten der oben aufgeführten Nachteile nicht. Kleine Gasturbinen beispielsweise sind inzwischen ab 30 kW elektrischer Leistung verfügbar. Sie besitzen einen mittleren Wirkungsgrad, sind teuer, haben eine brauchbare Lebensdauer, erfordern wenig Wartung und produzieren relativ wenig Abgase.
Stirlingmotoren wären sehr gut geeignet für KWK-Anlagen. Sie sind aber für eine breite Markteinführung in absehbarer Zeit noch nicht reif. Sie besitzen einen mittleren Wirkungsgrad, kosten jedoch sehr viel, haben eine hohe Lebensdauer und arbeiten relativ leise.
ORC-Anlagen sind Dampfanlagen die anstelle mit Wasser mit organischen Flüssig- keiten betrieben werden. Sie sind in kleiner Anzahl bereits im Einsatz, allerdings nur mit Leistungen von über 500 kW. Sie sind für alle brennbaren Energieformen geeignet. Diese Anlagen sind sehr komplex und teuer. Der Wirkungsgrad ist bisher sehr niedrig.
Die Marktreife von Brennstoffzellen ist für die nahe Zukunft noch nicht absehbar.
Der Wirkungsgrad einer Dampfkraftanlage wird im wesentlichen durch die Expansionsmaschine zur Umwandlung der Dampfenergie in mechanische Energie bestimmt.
Dampf- und Gasturbinen sind Strömungsmaschinen, welche ausschließlich die Strömungsenergie des Mediums nutzen. Da eine Strömungsmaschine keine dichten Arbeitsräume oder Kammern aufweist, kann bei Stillstand ein Teil des Mediums die Maschine durchströmen, ohne dass eine Bewegung ausgelöst wird. Eine Turbine liefert daher erst bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit eine Leistung. Ein guter Wirkungsgrad erfordert mehrere Turbinenstufen hintereinander, einen großen Volumenstrom, hohe Drehzahlen, hohe Temperaturen und deshalb die besten verfügba- ren Werkstoffe. Der wesentliche Vorteil von Strömungsmaschinen liegt darin, dass sie keine Dichtung zwischen Gehäuse und Läufer haben, wodurch kaum Reibungsverluste auftreten und sich dadurch eine hohe Lebensdauer ergibt. Die kontinuierliche Arbeitsweise ist ein weiterer Vorteil. Turbinen arbeiten jedoch bei geringerer Leis- tung nicht wirtschaftlich.
Alternativen zu Strömungsmaschinen sind druckbasierte Verdrängungsmaschinen, wie z.B. Kolbenmaschinen (Rotations-, Dreh-, Kreis- und Hubkolbenmaschinen; siehe Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 21. Auflage, K.-H. Grote et al., Springer Verlag, ISBN 3-540-22142-5,, Kapitel P, insbesondere Seite P2). Sie arbeiten kontinuierlich oder zyklisch mittels druckdichten Arbeitsräumen. Jedoch vernichten hier die Reibungsverluste an den Dichtungen die Vorteile des ansonsten effizienteren Verdrängungsprinzips und verkürzen die Lebensdauer der Maschine. Zudem sind die meisten dieser Verdrängungsmaschinen aufgrund ihrer Verdränger- und Ar- beitsgeometrie besser als Pumpen denn als Motoren geeignet.
Aus der EP 1 317 605 B1 geht eine KWK-Vorrichtung hervor. Bei dieser Vorrichtung wird ein zirkulierendes Medium in einem Dampferzeuger verdampft, in einer Turbine eines Turbogenerators expandiert, in einem Wärmetauscher abgekühlt und anschlie- ßend in einem Kondensator kondensiert. Eine in den Turbinengenerator intergrierte Förderpumpe leitet das zikulierende Medium direkt über den Wärmetauscher zum Dampferzeuger zurück. Der Turbogenerator beinhaltet einen Generator.
Aus der US 4,629,396 geht eine Hochdruckradialturbine hervor.
Unterschiedliche Wärmetauscher bzw. Verdampfer sind aus DE 3 411 675 A1 , FR 26 14 686 A1 , DE 100 30 627 A1 , DE 40 10 151 A1 , DE 27 48 183 A1 , DD 76681 A und DE 109 401 A bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer KWK-Vorrichtung, die einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist und eine hohe Lebensdauer besitzt.
Die Aufgabe wird durch ein KWK-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben. -A-
Die erfindungsgemäße KWK-Vorrichtung umfasst eine dampfbetriebene Kraftmaschine, einen Wärmetauscher zum Verdampfen eines Strömungsmittels, um die Kraftma- schine anzutreiben, einen von der Kraftmaschine angetriebenen Generator, und ein mediumdichtes Gehäuse, in dem sich die Kraftmaschine, der Wärmetauscher und der Generator befinden.
Bei der Erfindung sind somit die Kraftmaschine, der Wärmetauscher und der Genera- tor in einem gemeinsamen Gehäuse druckdicht und thermisch gekapselt. Eine solche Kapselung erlaubt zum einen eine effiziente Nutzung der der KWK-Vorrichtung zugeführten Wärme, da die Wärme innerhalb des Gehäuses bleibt und effizient in mechanische bzw. elektrische Energie gewandelt werden kann. Weiterhin erlaubt eine solche Kapselung, die Verwendung spezieller Strömungsmittel in einem Kreislauf zwischen dem Wärmetauscher und der Kraftmaschine, da durch die Kapselungen ein Austritt an die Umwelt sicher vermieden wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Gehäuse noch ein Kondensator zum Kondensieren des Strömungsmittels vorgesehen. Der Kondensator ist an einem nach außerhalb des Gehäuses führenden Kühlkreislauf angeschlossen, so dass überschüssige Wärme im Gehäuse gezielt einer Nutzung außerhalb des Gehäuses zugeführt wird und nicht als ungenutzte Abwärme an die Umwelt abgegeben wird.
Vorzugsweise ist das Gehäuse thermisch isoliert.
Vorzugsweise ist die KWK-Vorrichtung vertikal angordnet, so dass der Wärmetauscher ausschließlich in Vertikalrichtung durchströmt wird.
Die erfindungsgemäße KWK-Vorrichtung weist vorzugsweise eine Kraftmaschine auf, die mit einem ortsfesten Stator und einem drehbar gelagerten Rotor, mit wenigstens einem Arbeitsraum, der zwischen dem Stator und dem Rotor mit in Drehrichtung einer inneren und äußeren Begrenzungsfläche ausgebildet ist, versehen ist. Der Arbeitsraum weist einen eingangsseitigen Einlass zum Zuführen von Strömungsmittel auf. An einer der Begren- zungsflächen ist zumindest ein ausstellbar gelagerter Flügel zur Begrenzung des Arbeitsraumes an dem dem Einlass gegenüberliegenden Ende des Arbeitsraumes angeordnet. Der Flügel ist mit einer freien Endkante in Richtung zur gegenüberliegenden Begrenzungsfläche ausstellbar. Ein Anschlag ist derart vorgesehen, dass der Flügel in seiner ausgestellten Arbeitstellung mit seiner freien Endkante exakt auf die gegenüberliegende Begrenzungsfläche justiert ist und hierdurch parallel zur gegenüberliegenden Begrenzungsfläche bewegt wird.
Diese Kraftmaschine stellt eine selbständige Erfindung dar, die auch unabhängig von der KWK-Vorrichtung eingesetzt werden kann, um aus unter Druck stehenden Dampf eine Rotationsbewegung zu erzeugen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung des Arbeitsraumes vorgesehen, die intermittierend abgebaut wird. Die Maschine arbeitet nur in einer Bewegungsrichtung. Der Flügel bewegt sich mit seiner freien Endkante parallel zur gegenüberliegenden Begrenzungsfläche. Über den Anschlag kann der Flügel in seiner ausgestellten Arbeitsstellung derart eingestellt werden, dass er sich mit sehr geringem Abstand entlang der Begrenzungsfläche bewegt und auf diese Weise nahezu keine Reibungsverluste auftreten. Am Flügel kann auch eine Dichtung vorgesehen werden, die den Spalt zwischen dem Flügel und der Begrenzungsfläche abdichtet, wobei keine nennenswerten Kräfte vom Flügel auf die Dichtung ü- bertragen werden. Die Größe des Arbeitsraumes ist begrenzt und durch den am Flügel anliegenden Druck wird eine Drehkraft erzeugt. Durch die geschlosse Expansionsentwicklung kommt es zu einer kontinuierlichen Rotationsbewegung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für den Betrieb mit Wärme (Energie) aus offe- ner Verbrennung und mit Abwärme beliebiger Herkunft vorgesehen. Die Umsetzung der Wärme in elektrische Energie erfolgt im wesentlichen in bekannter Weise mit einem Dampfprozeß. Als Dampfmedium kann neben Wasser auch jedes andere als geeignet bekannte organische Medium eingesetzt werden. Die KWK-Anlage ist für Anlagengrößen vorgesehen, die für den dezentralen Einsatz geeignet sind.
Die Kraftmaschine ist vorzugsweise so ausgebildet, dass der Flügel in seiner ausgestellten Arbeitsstellung mit seiner freien Endkante parallel zur gegenüberliegenden Begrenzungsfläche bewegt wird.
Nach einer Weiterbildung der Kraftmaschine sind die innere und äußere Begrenzungsfläche des Arbeitraumes (82) mit konstantem Abstand ausgebildet. Kraftmaschine kann derart weitergebildet seinΛ dass zumindest die dem Flügel gegenüberliegende Begrenzungsfläche ein Kreissegment mit einem Mittelpunkt ausbildet, der sich mit dem Mittelpunkt der Drehung des Rotors deckt.
Bei der Kraftmaschine kann der_Einlaß am Arbeitsraum am jeweiligen Flügel gegenüberliegenden Ende angeordnet sein.
Der Einlass am Arbeitsraum weist vorzugsweise zumindest eine Düse auf.
Die Kraftmaschine kann derart weitergebildet sein^ dass das Strömungsmittel im Arbeitsraum den wenigstens einen Flügel aus einer Ruhestellung in eine Arbeitsstellung aufstellt und den Rotor in eine Drehbewegung versetzt.
Der Rotor der Kraftmaschine kann als Außenläufer ausgebildet und der Flügel an der In- nenumfangsoberfläche des Rotors ist nach innen verschwenkbar angeordnet sein.
Der Flügel kann mittels eines Federelementes derart an der Innenumfangsoberfläche des Rotors beaufschlagt sein, dass er durch Federvorspannung nach innen in die Arbeitsstel- lung vorgespannt ist und durch die Fliehkraft ab einer Nenndrehzahl nach außen in eine Ruhestellung drückbar ist.
In der Ruhestellung ist der Flügel im Wesentlichen der Kontur der Innenumfangsoberfläche des Rotors angepasst, insbesondere ist in der Ruhestellung der Flügel in einer jeweiligen Ausnehmung der Innenumfangsoberfläche des Rotors versenkbar. Die Ausnehmung weist eine in Richtung des einströmenden Strömungsmittels vorgelagerte Tasche (89) auf, in welcher das in den Arbeitsraum einströmende Strömungsmittel angreifen kann, um den Flügel aus der Ruhestellung aufzustellen.
In der Arbeitsstellung der Flügel können diese nach innen ragend aufgestellt sein, dass sie den Arbeitsraum jeweils bis auf einen geringen Spalt zwischen Stator und Flügel abschließen.
Die Arbeitsstellung des Flügels kann durch einen Anschlag am Rotor definiert ist.
Der Arbeitsraum weist vorzugsweise im Wesentlichen die Form eines Ringabschnitts auf. Ein solcher Flügel kann im Querschnitt im Wesentlichen die Form eines stumpfwinkligen Dreiecks mit einer Basis und einer zu der Basis gegenüberliegenden Spitze besitzen. Insbesondere kann der Flügel einen Basisabschnitt sowie einen kurzen und einen langen Schenkelabschnitt aufweisen, wobei der Flügel im Bereich der Spitze gelagert ist.
Der Basisabschnitt ist in der Ruhestellung des wenigstens einen Flügels vorzugsweise konform zu der Innenseitenoberfläche des Rotors ist, wobei der Basisabschnitt in Arbeitsstellung auf der zu der Richtung des einströmenden Strömungsmittels abgewandten Seite an- geordnet ist, wobei der lange Schenkelabschnitt in Arbeitsstellung auf der zu der Richtung des einströmenden Strömungsmittels zugewandten Seite angeordnet ist, und wobei in Arbeitsstellung der kurze Schenkelabschnitt an einer Anschlagsfläche der Innenumfangsober- fläche des Rotors anliegt, um die Arbeitsstellung des Flügels zu fixieren.
Der Rotor weist vorzugsweise eine ungerade Anzahl von Flügeln, insbesondere drei bis fünfzehn Flügel, auf.
Die Kraftmaschine weist vorzugsweise mehrere Arbeitsräume, insbesondere zwei Arbeitsräume und fünf Flügel, auf.
Die Arbeitsräume und die Flügel sind jeweils äquidistant zueinander beabstandet.
Kraftmaschine kann so ausgebildet sein, dass der Winkelbereich, über den sich jeweils die den Flügeln gegenüberliegenden Begrenzungsflächen erstrecken, größer als der Winkel- abstand benachbarter Flügel ist, so dass kontinuierlich wenigstens einer der Flügel in einem Arbeitsraum in Arbeitsstellung ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen schematisch in:
Fig. 1 eine KWK-Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine in einer seitlich geschnittenen Ansicht,
Fig. 2 die Kraftmaschine aus Fig. 1 in einer Schnittdarstellung quer zur Drehachse, Fig. 3 die Kraftmaschine aus Fig. 1 in einer perspektivisch ausgebrochen Schnittdarstellung,
Fig. 4 die Kraftmaschine aus Fig. 1 in einer Explosionsdarstellung,
Fig. 5 einen Bereich der Kraftmaschine aus Fig. 1 in einer weiteren perspektivisch ausgebrochen Schnittdarstellung, und
Fig. 6 die Kraftmaschine aus Fig. 1 in einer weiteren perspektivisch ausgebrochen Schnittdarstellung.
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers mit Regenerator für eine KWK-Vorrichtung aus Figur 1 ;
Fig. 8 einen Querschnitt durch den Mittenbereich eines Wärmetauschers füe eine KWK-Vorrichtung mit nicht-unterteiltem Zwischenraum zwischen einer ersten Führung und einer zweiten Führung zum Durchströmen eines verdampfbaren Mediums;
Fig. 9 einen schematischen Querschnitt durch den unteren Bereich eines Wärmetauschers für eine KWK-Vorrichtung, bei welchem der Zwischenraum zur Führung des verdampfbaren Mediums von einer thermischen Trennwand unterteilt ist;
Fig. 10 eine schematische, teilweise geschnittene perspektivische Ansicht des dem Einlassbereich für das zu verdampfende Medium gegenüberliegenden Endes des Wärmetauschers aus Figur 7 zum Austritt von Frischdampf aus dem Wärmetauscher und zur Rückführung von Abdampf in den Wärmetauscher, wobei an diesem Ende des Wärmetauschers eine Vorrichtung zur Er- zeugung von Strom oder mechanischer Arbeit und/oder kinetischer Energie direkt und unmittelbar ansetzt;
Fig. 11 eine teilweise geschnittenen, perspektivische Ansicht des Einlassbereiches des Wärmetauschers aus Figur 7 für das zu verdampfende Medium und des Auslassbereiches des Regenerators für den wärmeentzogenen Abdampf. Fig. 1 zeigt eine KWK-Vorrichtung 1 mit einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine 2. Die KWK-Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 3 auf. Das Gehäuse 3 umfasst eine kreisförmige Deckenwandung 4, eine kreisförmige Bodenwandung 5 und eine zylindrische Seitenwandung 6. Ein erster oberer Gehäusebereich 7 ist von einem mittleren Ge- häusebereich 8 durch eine erste obere horizontale Zwischenwandung 9 getrennt. Der mittlere Gehäusebereich 8 ist von einem unteren Gehäusebereich 10 durch eine zweite untere horizontale Zwischenwandung 11 getrennt. In dem Gehäuse 3 ist entlang einer Längsachse 12 ein Wärmetauscher 13 zum Erzeugen von Dampf aus einem Dampfmedium 18 angeordnet. Der Wärmetauscher 13 erstreckt sich über den unteren und mittleren Gehäusebereich 10, 8. Im oberen Gehäusebereich 7 ist ein Generator 14 zum Erzeugen von Strom angeordnet. Im mittleren Gehäusebereich 8 ist der Wärmetauscher 13 von der Kraftmaschine 2 umgeben, die einen Stator 15 und einen Rotor 16 aufweist. Im unteren Gehäusebereich 10 ist zusätzlich zum Wärmetauscher 13 ein Kondensator 17 zum Verflüssigen des Dampfmediums 18 angeordnet. Der untere Gehäusebereich 10 bildet einen ringförmigen Mediumspeicher 19 für das flüssige Dampfmedium 18 aus.
Der Wärmetauscher 13 ist entlang der Längsachse 12 der KWK-Vorrichtung 1 zylindrisch ausgebildet und etwa konzentrisch zur Längsachse 12 angeordnet. Am oberen Ende des Wärmetauschers 13 ist ein mit der Längsachse 12 fluchtendes Einlassrohr 20 zum Zuführen eines Wärmeenergie enthaltenden Wärmeträgers 21 vorgesehen. Ein geeigneter flüssiger Wärmeträger 21 kann beispielsweise Wasser, Öl, Thermo-Öl oder ein geeigneter gasförmiger Wärmeträger 21 kann Heißluft, Abgas, Rauchgas sein.
Das Einlassrohr 20 mündet mit seinem unteren Ende in ein Erhitzerrohrregister 22 des Wärmetauschers 13. Das Erhitzerrohregister 22 setzt sich aus einer Vielzahl von einzelnen Erhitzerrohren 23 zusammen. Die Erhitzerrohre 23 sind jeweils von Regeneratorrohren 24 zur Aufnahme eines Dampfmediums 18 umgeben. Die Bereiche zwischen den Erhitzerrohren 23 und Regeneratorrohren 24 bilden so mehrere Verdampfungskammern 25 aus. Um das Erhitzerrohrregister 22 und die Regeneratorrohre 24 ist ein rohrförmiges Gehäuse 26 angeordnet, wobei der Zwischenraum zwischen den Regeneratorrohren 24 und der Innenfläche des Gehäuses 26 eine Regeneratorkammer 27 ausbildet. Die Erhitzerrohre 23 sind mit ihren Enden jeweils an Öffnungen einer unteren und einer oberen Erhitzerlochplatte 28, 29 befestigt. Der Außenumfang der Lochplatten schließt bündig mit der Innenfläche des Gehäuses 26 des Wärmetauschers 13 ab. Die Regeneratorrohre 24 sind mit ihren Enden jeweils an Öffnungen einer unteren und einer oberen Regeneratorlochplatte 30, 31 befestigt. Der Außenumfang der Lochplatten schließt wiederum bündig mit der Innenfläche des Gehäuses 20 des Wärmetauschers 13 ab. Durch die Regeneratorlochplatten 30, 31 erstrecken sich Erhitzerrohre 23 hindurch. Die Regeneratorlochplatten 30, 31 sind innerhalb der Erhitzerlochplatten 30, 31 angeordnet, so dass die Lochplatten 30, 31 , den Wärmetau- scher 13 schottartig abschließen.
Die Rohre 23, 24 und das Gehäuse 26 weisen jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf, was auch bevorzugt aber nicht zwingend notwendig ist. Der Wärmetauscher kann auch plattenförmig ausgeführt sein.
Die Verdampfungskammern 25 können auch derart ausgebildet sein, dass kurze Rohrsegmente 32 im unteren Bereich der Verdampfungskammern konzentrisch zwischen den Erhitzerrohren 23 und den Regeneratorrohren 24 angeordnet sind und mit ihrem unteren Enden in den Zwischenbereich zwischen der unteren Erhitzerlochplat- te 28 und der unteren Regeneratorlochplatte 30 ragen. Die unteren Enden dieser Rohrsegmente 32 sind jeweils an Öffnungen einer Zwischenlochplatte 33 befestigt, die wiederum bündig mit dem Gehäuse 20 des Wärmetauschers 13 abschließt. Der Raum zwischen der unteren Erhitzerlochplatte 28 und der unteren Regeneratorlochplatte 30 ist durch die Zwischenlochplatte 33 in eine untere und eine obere Beschi- ckungskammer 34, 35 zum Zuführen von Dampfmedium 18 zu den Verdampfungskammern 25 unterteilt.
Am unteren Ende des Wärmetauschers 13 münden die Erhitzerrohre 23 in ein gemeinsames nach unten gerichtetes Auslassrohr 36 zum Abführen des Wärmeträgers 21.
Im Bereich der Beschickungskammern 34, 35 weist das rohrförmige Gehäuse 30 des Wärmetauschers 13 zwei Reihen übereinander umlaufend angeordneter Dampfme- diumzuführöffnungen 37 auf. Um die Dampfmediumzuführöffnungen 37 des Wärmetauschers 13 ist außenseitig ein ringförmiger Zuführkanal 38 ausgebildet. In den Zuführkanal 38 mündet eine Zuführleitung 39, in die über eine Pumpe 40 das Dampfmedium 18 zugeführt wird. Die Zuführleitung 39 ist nach unten abgewinkelt und endet offen ein Stück über der Bo- denwandung 5, so dass sie in den Mediumspeicher 19 ragt. Der ringförmige Mediumspeicher 19 wird durch den unteren Abschnitt der zylindrischen Seitenwandung 6 des Gehäuses 3, die Bodenwandung 5 und durch ein zylinderförmiges sich von der Bodenwandung 5 zum ringförmigen Zuführkanal 38 erstreckenden Segment 41 begrenzt. Die Pumpe 40 kann auch außerhalb des Gehäuses 3 angeordnet sein.
Der Bereich zwischen der oberen Erhitzerlochplatte 29 und der oberen Regeneratorlochplatte 31 bildet eine Dampfkammer 42, in die die Verdampfungskammern 25 münden. Im Bereich der Dampfkammer 42 sind im Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 mehrere umlaufend angeordnete Dampfmediumauslassöffnungen 43 aus- gebildet. Die Dampfmediumauslassöffnungen 43 sind etwa rechteckig und bilden eine Reihe Öffnungen, die jeweils mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.
Im Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 sind benachbart und unterhalb der oberen Regeneratorlochplatte 31 mehrere umlaufend angeordnete Dampfmediumeinlassöff- nungen 44, die in die Regeneratorkammer 27 münden und wiederum etwa rechteckig ausgebildet sind und eine Reihe Öffnungen bilden, die jeweils mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.
Im Bereich der Dampfmediumauslassöffnungen 43 und der Dampfmediumeinlassöff- nungen 44 ist der Wärmetauscher 13 von der Kraftmaschine 2 umgeben. Der Stator 15 ist unmittelbar auf dem Gehäuse 26 des Wärmetauschers 4 ortsfest angeordnet und der drehbar gelagerte Rotor 16 umschließt mit seinen wesentlichen Elementen den Stator 15. Der Rotor 16 ist in Drehrichtung 45 drehbar ausgebildet.
Der Stator 15 weist eine scheibenringförmige obere Begrenzungswandung 46, eine scheibenringförmige untere Begrenzungswandung 47 und eine sich zwischen den Begrenzungswandungen 46, 47 erstreckende zylinderförmige Innenwandung 48 auf. Die Begrenzungswandungen 46, 47 stehen senkrecht auf dem Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 und schließen mit ihrem inneren Rand bündig mit dem Gehäuse 26 ab. Die Innenwandung 48 ist mit einem Abstand konzentrisch zum Gehäuse 26 angeordnet. Ein Ringsteg 49 ist mittig zwischen den beiden Begrenzungswandungen 46, 47 auf der Innenfläche der Innenwandung 48 angeordnet. Der Ringsteg 49 erstreckt sich von der Innenwandung 48 bis zum Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13.
Der Ringsteg 49 unterteilt den Bereich zwischen der oberen und unteren Begren- zungswandung 46, 47, der Innenwandung 48 und dem Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 in einen oberen umlaufenden Einlasskanal 50 und einen unteren umlaufenden Auslasskanal 51.
In der Innenwandung 48 sind im Einlasskanal 50 Einlassöffnungen 52 ausgebildet. Die Einlassöffnungen 52 weisen den gleichen Winkelabstand zueinander auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind lediglich zwei Einlassöffnungen 52 vorgesehen, die 180° zueinender versetzt sind.
Die Einlassöffnungen 52 münden jeweils in eine Düsenkammer 53. Bogenförmige Leitbleche 54 erstrecken sich jeweils von der Innenwandung 48 vom in Drehrichtung 45 rückwärtigen Ende einer der Einlassöffnungen 52 in Drehrichtung und radial nach außen über die jeweilige Einlassöffnung hinweg. An ihrem radialen äußeren Endbereich erstrecken sich die Leitbleche 54 jeweils über den äußeren Rand der Begrenzungswandungen 46, 47 hinaus (Fig. 4) und weisen einen Düsenabschnitt 55 auf. Der Düsenabschnitt 55 besitzt eine Düsenaußenfläche 56, die konzentrisch zur Drehachse des Rotors 16 ist. Die Leitbleche 54 bilden mit ihren zur Einlassöffnung 52 weisenden Flächen rückwärtige konkave Düsenflächen 57. Die Düsenkammer 53 ist in Drehrichtung 45 nach vorne durch eine bogenförmige vordere konvexe Düsenfläche 58 begrenzt, die sich vom in Drehrichtung 45 vorderen Ende der Einlassöffnung 52 radial nach außen bis Nahe an den Düsenabschnitt 55 erstreckt. Der Düsenabschnitt 55 ist seitlich jeweils mit einer Seitenwandung 59 begrenzt, die bündig zur Innenfläche der Begrenzungswandungen 46, 47 ist und sich ein Stück nach vorne in Drehrichtung 45 erstreckt.
Durch die Ausbildung der rückwärtigen konkaven Düsenfläche 47 und der vorderen konvexen Düsenfläche 58 wird ein Strömungskanal ausgebildet, der sich nach radial außen verjüngt und an seinem Ende eine Düse 60 bildet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die vordere konvexe Düsenfläche 58 an ei- nem massiven Formkörper 61 ausgebildet. Dieser Formkörper 61 ist an der Innenwandung 48 angeformt und wird radial nach innen durch die Innenwandung begrenzt. Der Formkörper 61 erstreckt sich von der konvexen Düsenfläche 58 in Drehrichtung 45 konzentrisch zur Längsachse 12 der KWK-Vorrichtung 1 , die gleichzeitig die Drehachse 12 des Rotors bildet. Die vordere konvexe Düsenfläche 58 erstreckt sich ab der Düse 60 unter stetiger Fortsetzung der konvexen Bogenform ein kleines Stück radial nach innen. Dort trifft die Bogenform auf eine zur Drehachse 12 konzentrische Oberfläche, die im folgenden als innere Begrenzungsfläche 62 eines Arbeitsraumes bezeichnet wird. . Am in Drehrichtung 45 vordere Ende der inneren Begrenzungsfläche 62 weist der Formkörper 61 eine radial verlaufende Stirnfläche 63 auf. Diese Stirnfläche 63 steht senkrecht auf der Innenwandung 48.
Der Formkörper 61 kann auch hohl ausgebildet sein.
Benachbart zur Stirnfläche 63 des Formkörpers 61 ist in der Innenwandung 48 im Bereich des Auslasskanals 51 jeweils eine Auslaßöffnung 64 ausgebildet. Diese Aus- laßöffnung 64 erstreckt sich in vertikaler Richtung zwischen der unteren Begrenzungswandung 47 des Stators 15 und dem Ringsteg 49 und in Drehrichtung 45 von der Stirnfläche 63 bis zum Beginn des bogenförmigen Leitbleches 54.
Zwischen den Stirnflächen 63 und den in Drehrichtung 45 vorne angeordneten bo- genförmigen Leitblechen 54 sind vertikal ausgerichtete Führungsbleche 65 (Fig. 2, Fig. 4) angeordnet. Diese Führungsbleche 65 weisen radial außen eine Führungskante 66 auf, die sich von der inneren Begrenzungsfläche 62 allmählich radial nach außen bis zum Düsenabschnitt 55 des bogenförmigen Leitbleches 54 erstreckt. Radial innen weisen die Führungsbleche 65 eine freie Kante 67 auf, die mit Abstand zur Innenwandung 48 ausgebildet ist (Fig. 2).
Der Rotor 16 weist einen zylinderförmigen Rotorkörper 68 auf, der den Stator 15 konzentrisch umschließt. Am unteren Ende des zylinderförmigen Rotorkörpers 68 ist ein unterer Ringvorsatz 69 radial nach innen weisend angeformt. Im obereren Bereich ist ein oberer Ringvorsatz 70 vorgesehen, der ebenfalls radial nach innen weisend ausgebildet ist. Die Stirnflächen des oberen und des unteren Ringvorsatzes 69, 70 ragen derart nach innen, dass sie die Stirnseiten der oberen bzw. der unteren Begrenzungswandung 46, 47 des Stators 15 nahezu spielfrei aufnehmen bzw. bündig mit ihnen abschließen. Im Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Ringvorsatz 69 ist innen anliegend am zylinderförmigen Rotorkörper 68 eine etwa zylinderförmige Isolierung 71 vorgesehen. Die Isolierung 71 kann z.B. aus Kunststoff, Keramik oder einem anderen geeigneten Werkstoff ausgebildet sein.
Die zylinderförmige Isolierung 71 und die innenliegenden Flächen des oberen und des unteren Ringvorsatzes 69, 70 umfassen den Düsenabschnitt 55, wobei die Ringvorsätze 69, 70, die Seitenwandungen 59 der Düse 60 nahezu spielfrei aufnehmen. Die Düsenaussenfläche 56 des Düsenabschnittes 55 ist zur Innenfläche des Rotors 16 bzw. dessen Isolierung 71 nahezu spielfrei angeordnet, wobei beide Flächen zueinander konzentrisch sind.
In der Isolierung 71 sind radial umlaufend, äquidistant angeordnete Aussparungen 72 zur Aufnahme jeweils eines Flügels 73 vorgesehen. Die Aussparungen 72 erstrecken sich jeweils entgegen der Drehrichtung 45 etwas über den sich in seiner Ruhestellung befindlichen und in der Aussparung angeordneten Flügels 73 hinaus, so dass sich jeweils eine Tasche 89 bildet.
Die Zahl der Aussparungen 72 und der Flügel 73 kann an sich beliebig sein. Grund- sätzlich würde die erfindungsgemäße Kraftmaschine mit einem einzige Flügel 73 funktionieren. Mehrere Flügel sind bevorzugt, da es dann möglich ist, ohne Unterbrechung Arbeitsräume auszubilden. Die Anzahl der Flügel 73 kann daher zwei bis fünfzehn betragen und vorzugsweise fünf, wobei die Anzahl der Flügel vorzugsweise kein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Düsen bzw. der Arbeitsräume ist. Der Win- kelabstand zweier benachbarter Flügel 73 ist etwas kleiner als der Winkelbereich, über den sich die innere Begrenzungsfläche 62 erstreckt, so dass immer ein Flügel 73 gegenüber den jeweiligen inneren Begrenzungsflächen 62 angeordnet ist und an den inneren Begrenzungsflächen immer ein Arbeitsraum ausgebildet ist.
Die Flügel 73 weisen im Längsschnitt eine dreieckige Form auf, mit einem Basisabschnitt 74, einem kurzen Schenkelabschnitt 75 und einem langen Schenkelabschnitt 76. Im Bereich der Spitze zwischen den beiden Schenkelabschnitten 75, 76 ist eine Durchgangsbohrung 77 zur Aufnahme eines Stifts 78 ausgebildet. Der kurze Schenkelabschnitt 75 erstreckt sich in Drehrichtung 45 und der lange Schenkelabschnitt 57 entgegen der Drehrichtung 45. Der in der Durchgangsbohrung 77 angeordnete Stift 78 ist mit seinen Enden in jeweils einer Sackbohrung im oberen und im unteren Ringvorsatz 69, 70 aufgenommen. Der Flügel 73 ist um den parallel zur Drehachse 45 ausgerichteten Stift 78 schwenkbar gelagert.
Im eingeklappten Zustand bzw. in der Ruhestellung schließt der Basisabschnitt 74 des Flügels 73 konform mit der Isolierung 71 ab, wobei der Basisabschnitt 74 die gleiche Krümmung wie die Innenfläche der Isolierung 71 aufweist. In der Ruhestellung bilden die Flügel 73 somit mit der Isolierung 71 eine gleichmäßige, durchgehende Kontur.
Im ausgeschwenkten Zustand bzw. in der Arbeitsstellung liegt der kurze Schenkelabschnitt 75 an einer in der Aussparung 72 der Isolierung 71 im Bereich des kurzen Schenkelabschnittes 75 ausgebildeten Anschlagsfläche 79 an, um die Arbeitsstellung des Flügels 73 zu fixieren. Die Anschlagsfläche 79 bildet zusammen mit dem kurzen Schenkelabschnitt 75 einen Anschlag 80 zum präzisen Einstellen der Arbeitsstellung des Flügels 73. In der Arbeitstellung ist der Flügel 73 mit seinem langen Schenkelabschnitt 76 in Richtung der Inneren Begrenzungsfläche 62 des Arbeitsraumes ausgerichtet. Er ist mit einer freien Endkante 81 , die die Kante zwischen dem Basisabschnitt 74 und der lange Schenkelabschnitt 76 des Flügels 73 ausbilden, zu der inneren Begrenzungsfläche 62 des Arbeitsraumes gegenüberliegend angeordnet, so dass die freie Endkante 81 des ausgeklappten Flügels 73 einen sehr kleinen Spalt mit der inneren Begrenzungsfläche ausbildet. Der Anschlag 80 kann auch derart eingestellt werden, dass die freie Endkante 81 minimal an der Begrenzungsfläche des Arbeitsraumes 62 anliegt, wobei hier jedoch nachteilige Reibungsverluste auftreten.
Die Höhe der Schwenkflügel entspricht in etwa dem vertikalen Abstand vom oberen Ringvorsatz 70 zum unteren Ringvorsatz 69.
Es kann ein Federelement vorgesehen sein, das den Flügel 73 in seine Arbeitsstellung ausklappt.
Der Bereich zwischen der inneren Begrenzungsfläche 62 des Arbeitsraumes, der Düse 60, der Isolierung 71 , dem langen Schenkelabschnitt 76 des in der Arbeitsstellung ausgestellten Flügels 73 und den oberen und den unteren Ringvorsätzen 68, 69 bildet den Arbeitsraum 82. Oberseitig weist der Rotor 16 eine scheibenringförmige Deckenwandung 83 auf, in deren Mitte eine rohrförmig ausgebildete Welle 84 angeordnet ist. Die Welle 84 umgibt das Einlassrohr 20 im oberen Gehäusebereich 7 und wird in der ersten horizontalen Zwischenwandung 9 des Gehäuses 3 und in der Deckenwandung 4 des Ge- häuses 3 von jeweils einem Lager 85 aufgenommen. Im oberen Gehäusebereich 7 ist ein Generator 14 um den Wellenabschnitt der Welle 84 angeordnet, welcher aus der Drehbewegung der Welle Strom erzeugt, der dann einem Verbraucher zur Verfügung steht.
Im unteren Gehäusebereich ist entlang der zylindrischen Seitenwandung 6 ein ringförmiger Kondensator 17 zum Verflüssigen des Dampfmediums 18 vorgesehen. Der Kondensator ist beabstandet von der zylindrischen Seitenwandung 6 angeordnet und umschließt ebenfalls beabstandet den Wärmetauscher 13 in diesem Bereich. Der Kondensator 17 kann über eine Zuleitung 87 und eine Ableitung 88 mit einem Kühl- medium beschickt werden. An der Aussenseite des Kondesators 13 können Rippen ausgebildet sein, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern.
Nachfolgend wird der Betrieb der oben beschriebenen KWK-Vorrichtungen 1 erläutert:
Über das Einlassrohr 20 wird der KWK-Vorrichtung 1 ein heißer Wärmeträger zugeführt. Der Wärmeträger wird beispielsweise durch die Abwärme einer Maschine erwärmt oder wird mittels einer speziell hierfür vorgesehenen Feuerstelle erwärmt, die mit unterschiedlichen Brennmaterialien, wie z.B. Gas, Öl oder Holz Pellets befeuert wird, der Wärmeträger tritt in die Erhitzerrohre 23 des Wärmetauschers 13 ein und durchströmt diese von oben nach unten. Am unteren Ende des Wärmetausches tritt der Wärmeträger am Auslassrohr 36 aus. Im Wärmetauscher 13 wird die Wärme des Wärmeträgers auf ein Dampfmedium 18 übertragen, das sich in den Verdampfungskammern 25 befindet. Das Dampfmedium wird vom Mediumspeicher 19 dem Wär- mespeicher 13 mittels der Pumpe 40 zugeführt. Das sich im Wärmetauscher 13 erwärmende Dampfmedium 18 steigt nach oben, gelangt in die Dampfkammer 42 des Wärmetauschers 13 und tritt von dort durch die Dampfmediumauslassöffnungen 43 aus dem Wärmetauscher 13 aus und in den Einlasskanal 50 der Kraftmaschine 2 ein. Vom Einlasskanal 50 tritt das unter Druck stehende Dampfmedium durch die Einlassöffnungen in die Düsenkammern 53 ein. Da sich der Strömungskanal in der Düsenkammer 53 in Richtung zur Düse 60 verjüngt wird der Dampf beschleunigt und tritt aus der Düse 60 in den Arbeitsraum 82 ein.
Der Arbeitsraum wird durch die innere Begrenzungsfläche 62, einer äußeren Begren- zungsfläche, die durch die Innenfläche der Isolierung 71 dargestellt wird, den Ringvorsätzen 68, 69, dem Düsenabschnitt 55 und einem der ausgestellten Flügel 73 begrenzt. Hierdurch ist der Arbeitsraum - abgesehen von den eventuell vorhandenen Spalten - geschlossen.
Beim Passieren des Düsenabschnittes 55 befinden sich die Flügel 73 ab einer Nenndrehzahl aufgrund der Fliehkraft in den jeweiligen Aussparungen 72. Nach dem Passieren des Düsenabschnittes 55 wird tritt ein Teil des von der Düse 60 ausströmenden Dampfes in die Tasche 89 und schwenkt den Flügel 73 aus seiner Ruhestellung in die Arbeitsstellung, so dass der Arbeitsraum geschlossen ist.
Aufgrund des durch den Dampf erzeugten Druckes im Arbeitsraum wird der Flügel mit einer Kraft in Drehrichtung beaufschlagt, die den Rotor 16 in Drehrichtung 45 antreibt. Bei der vorliegenden Kraftmaschine werden die Prinzipien einer Verdrängungsmaschine, insbesondere einer Kolbenmaschine, bei welcher ein Kolben in ei- ner geschlossenen Kammer mit Druck beaufschlagt wird, und von einer Turbine, bei der die sich zueinander bewegenden Teile ohne aneinander reibende Komponenten angeordnet sind, vereinigt. Deshalb kann diese Kraftmaschine auch als Druckturbine bezeichnet werden.
Bei der erfindungsgemäßen Kraftmaschine wird der Rotor kontinuierlich in Drehrichtung 45 bewegt, was wiederum den Prinzipien einer Turbine entspricht. Passiert ein Flügel 73 den Düsenabschnitt 55, so ist er im Normalbetrieb aufgrund der Fliehkraft in die entsprechende Aussparung 72 des Rotors 16 eingeschwenkt. Die Aussparung erstreckt sich in Drehrichtung ein Stück über den Flügel 73 nach hinten, so dass der durch die Düse 60 ausgeströmte Dampf in die Aussparung 72 hinter dem langen Schenkelabschnitt 67 gelangt und den Flügel von seiner Ruhestellung in seine Arbeitsstellung ausschwenkt. Die Schwenkbewegung ist durch den Anschlag 80 begrenzt, bei dessen Erreichen der Flügel seine Arbeitsstellung einnimmt. In der Arbeitsstellung befindet sich die freie Endkante 81 angrenzend zur inneren Begren- zungsfläche 62. Vorzugsweise ist zwischen der freien Endkante 81 und der Begren- zungsfläche 62 ein kleiner Spalt ausgebildet. Es kann jedoch auch eine Dichtung o- der ein Dichtmittel, insbesondere eine Flüssigkeit als Dichtmittel vorgesehen sein.
Wenn eine Dichtung vorgesehen ist, dann ist sie derart ausgebildet, dass keine nen- nenswerten Kräfte vom jeweiligen Flügel 73 auf die innere Begrenzungsfläche 62 ausgeübt werden und die Dichtung lediglich mit geringem Druck an der Begrenzungsfläche 62 entlang gleitet. Hierdurch wird sichergestellt, dass die auf den Flügel ausgeübte Kraft hauptsächlich auf den Rotor 16 übertragen wird. Die Dichtung ist mechanisch vom Flügel entkoppelt. Dies kann beispielsweise durch eine elastische Dichtung oder eine Flüssigkeitsdichtung realisiert werden. Durch die mechanische Entkopplung wird sichergestellt, dass der Flügel den auf ihn ausgeübten Druck hauptsächlich in den Rotor ableitet.
Der in seiner Arbeitsstellung befindliche Flügel 73 wird entlang der gesamten inneren Begrenzungsfläche 62 bewegt, wobei hier der Arbeitsraum zunehmend expandiert. Erreicht der Flügel das Ende der Begrenzungsfläche 62, ist der Arbeitshub abgeschlossen.
In der Arbeitsstellung wird durch den im Arbeitsraum bestehenden Druck eine Kraft auf den schwenkbaren Flügel 73 ausgeübt, die mittels des Stiftes 78 und des Anschlages 80 auf den Rotor 16 übertragen wird und diesen in Drehrichtung 45 antreibt.
Gelangt der Flügel 73 in Drehrichtung 45 über die innere Begrenzungsfläche 62 hinaus, so kann der Dampf nach innen entweichen, da der Arbeitsraum nicht mehr ge- schlössen ist. Dadurch baut sich der Druck ab, der am Flügel 73 anliegt, wodurch dieser aufgrund der Zentrifugalkraft wieder in die Aussparung 72 einschwenkt. Bei der weiteren Drehbewegung des Rotors 16 passiert der Flügel den nächsten Düsenabschnitt 55 mit seiner Düsenaußenfläche 56 ohne hiermit in Berührung zu kommen. Die Düsenaußenfläche 56 besitzt eine gewisse Erstreckung in Drehrichtung, so dass sie sich über diesen Bereich an die Innenfläche des Rotors mit geringem Spalt anschmiegt und eine gute Abdichtung des Arbeitsraumes bewerkstelligt.
Beim Anlaufen der Kraftmaschine 2 mit geringen Drehzahlen des Rotors herrscht keine ausreichende Fliehkraft, um die Flügel in die entsprechenden Aussparungen einzuschwenken. Sie werden deshalb bei der Annäherung des Düsenabschnittes 55 von den Führungskanten 66 der Führungsbleche 65 in ihre Ruhestellung in den Aus- sparungen 72 entgegen der Federwirkung, mit welcher die Flügel in ihre Arbeitsstellung gedrückt werden, geschwenkt.
Die Düsenaußenfläche 56 ist in Umfangsrichtung länger als die Tasche 89 ausgebil- det. Hierdurch wird sichergestellt, dass wenn sich eine der Taschen 89 neben einem der Düsenabschnitte 55 befindet sie vollständig von der Düsenaußenfläche 56 abgedeckt wird. Beim Anlaufen der Kraftmaschine kann es sein, dass die Tasche neben dem Düsenabschnitt angeordnet ist und sich der entsprechende Flügel 73 noch in der Aussparung befindet. Würde die Düsenaußenfläche die Tasche 89 nicht voll- ständig abdecken, dann könnte es sein, dass der Dampf entgegen zur Drehrichtung 45 durch die Tasche 89 zwischen dem Düsenabschnitt 55 und der Isolierung entweichet, wodurch sich kein Druck im Arbeitsraum aufbauen und die Kraftmaschine nicht anfahren könnte.
Der über die innere Begrenzungsfläche 62 hinweg strömende Dampf tritt nach innen durch die Auslassöffnungen 64 in den Auslasskanal 51 und von dort über die Dampf- mediumeinlassöffnung 44 aus der Kraftmaschine 2 aus und in den Wärmetauscher 13 ein. Die Führungsbleche 65 sind mit Abstand zur Innenwandung 48 angeordnet, so dass hier keine Toträume entstehen und Dampf unter den Führungsblechen 65 hindurch zu der Auslassöffnung strömen kann.
Im Wärmetauscher 13 befindet sich der von der Kraftmaschine abgeführte Dampf in der Regeneratorkammer 27. In der Regeneratorkammer 27 strömt der Dampf nach unten und gibt seine verbleibende Wärmeenergie an die Verdampfungskammer 25 ab. Er tritt am unteren Ende des Wärmetauschers 13 an Dampfmediumsabführöff- nungen 88 aus dem Wärmetauscher 13 aus und in den unteren Gehäusebereich 10 der KWK-Vorrichtung 1 ein. Hier befindet sich der Kondensator 17, an dem das Dampfmedium Restwärme abgeben kann, bis es kondensiert und sich im Mediumspeicher 19 sammelt. Die im Kondensator aufgenommene Wärme kann über einen Külkreislauf, der an die Zuleitung 86 und Ableitung 87 angeschlossen ist, abgegeben werden. Der Kühlkreislauf kann zum Heizen, bspw. einer Bodenheizung eines Gebäudes, verwendet werden.
Mit der erfindungsgemäßen Kraftmaschine 2 kann in einer kontinuierlichen Drehbe- wegung sehr effizient der Druck im Dampf in Bewegung umgesetzt werden, da zum einen minimale Reibungsverluste entstehen und zum anderen in einem quasi abge- schlossenen Arbeitsraum die Flügel mit Druck beaufschlagt werden. Die kontinuierliche Drehbewegung erlaubt zudem eine einfache, widerstandsarme Ausgestaltung der Kraftmaschine.
Die Kraftmaschine ist besonders vorteilhaft in einer KWK-Vorrichtung, wobei die Kraftmaschine 2 mit einem Generator 14 zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist. Zudem kann die Abwärme der Kraftmaschine effizient zur Speisung eines Kühlkreislaufes (Kondensator) genutzt werden. Vorzugsweise ist das Gehäuse 3 der KWK-Vorrichtung vollständig isoliert, da hierdurch die gesamten Wärmeverluste durch Abwärme am Generator, Reibung und nicht genutzter Wärmeenergie in der Kraftmaschine in der KWK-Vorrichtung verbleiben und am Kondensator zur Speisung des Kühlkreislaufes kontrolliert abgeführt werden kann.
Das Gehäuse 3 ist vorzugsweise druckdicht ausgebildet, so dass die darin enthalte- nen Elemente gasdicht von der Außenwelt abgekapselt sind. Somit kann das Gehäuse mit einem Medium zum Übertragen von Wärme gefüllt sein, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Dampfmedium ist, das seine Wärme an den Kondensator abgibt.
Weiterhin ist vorteilhaft an der erfindungsgemäßen KWK-Vorrichtung, dass die Kraftmaschine unmittelbar auf dem Wärmetauscher angeordnet ist, so dass keine langen Übertragungswege zum Übertragen des Dampfes zwischen dem Wärmetauscher und der Kraftmaschine notwendig sind. Dies macht zudem die gesamte KWK- Vorrichtung sehr kompakt.
Oben ist eine KWK-Vorrichtung 1 mit einem speziellen, bevorzugten Wärmetauscher beschrieben. Im Rahmen der Erfindung können auch andere Wärmetauscher verwendet werden. Nachfolgend wird das Grundprinzip von für die erfindungsgemäße KWK-Vorrichtung geeignete Wärmetauscher erläutert. Die primäre Funktion dieser Wärmetauscher ist das Verdampfen des Dampfmediums, weshalb sie auch als Verdampfer bezeichnet werden können
Wie insbesondere den Figuren 8 und 9 zu entnehmen ist, weist der Wärmetauscher 13 für ein Dampfmedium 18 zumindest eine erste Führung 91 mit einem ersten Zwi- schenraum bzw. Kammer 92 für einen Wärmeträger 21 auf. Ebenfalls aus den Figuren 8 und 9 geht hervor, dass der Wärmetauscher 13 eine zweite Führung 93 für das Dampfmedium 18 umfasst, welche die erste Führung 91 unter Ausbildung der Verdampfungskammer 25 umgibt.
In diese Verdampfungskammer 25 strömt das Dampfmedium 18 und wird hier zu Frischdampf 94 verdampft, der zum Antreiben der Kraftmaschine 2 dient.
Der Wärmetauscher 13 kann des weiteren eine dritte Führung 95 zum Regenieren des Dampfmediums 18 im Gegenstrom umfassen, wobei diese dritte Führung 95 die zweite Führung 93 unter Ausbildung eines regeneratorartigen Zwischenraumes 97 umgibt.
In diesem regeneratorartigen Zwischenraum 97 strömt beispielsweise der von der Kraftmaschine 2 ausgenutzte Abdampf (Dampfmedium 18).
Wie es aus Figur 9 hervorgeht, kann eine vierte Führung 98 vorgesehen sein, die zwischen der zweiten Führung 93 und der dritten Führung 95 angeordnet ist und eine weitere Wärmetauscherkammer bereitstellt.
Bei dem Wärmetauscher 13 gemäß dem in den Figuren 1 , 7, 10 und 1 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Erhitzerrohre 23 die erste Führung 91 , die Regeneratorrohre 24 die zweite Führung 93 und das Gehäuse 26 die dritte Führung 95.
Vorzugsweise sind die Führungen vertikal angeordnet, so dass der Wärmeträger 21 und das Dampfmedium 18 vertikal durch den Wärmetauscher 13 strömen. Das zu erhitzende Dampfmedium strömt im Gegenstrom sowohl zum Wärmeträger als auch zum aus der Kraftmaschine austretenden und zu regenerierenden Abdampf. Das
Dampfmedium wird am unteren Endbereich des Wärmetauschers diesem zugeführt und strömt nach oben. Die abzukühlenden Medien (Wärmeträger, Abdampf) strömen nach unten.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Kraftmaschine 2 ohne Zwischenschaltung von Leitungen unmittelbar aus dem Wärmetauscher 13 mit Frischdampf 94 gespeist wird. Hierdurch werden die Verluste gering gehalten und die Effizienz der KWK- Vorrichtung gesteigert. Die oben beschriebene KWK-Vorrichtung 1 weist eine spezielle Kraftmaschine 2 auf. Im Rahmen der Erfindung können auch andere Kraftma- schinen 2, insbesondere andere Strömungsmaschinen verwendet werden, insbesondere druckbasierte Verdrängungsmaschinen, wie z.B. Kolbenmaschinen (Rotations-, Dreh-, Kreis- und Hubkolbenmaschinen).
Durch die Abkapselung der gesamten Vorrichtung in einem Gehäuse 3, das vorzugsweise thermisch isoliert ist, und der unmittelbaren Anordnung der Kraftmaschine 2 am oberen Ende des Wärmetauschers 13 sind die thermischen Verluste äußerst gering, da das Gehäuse kompakt ausgebildet werden kann und nach außen aufgrund der kleinen Oberfläche wenige Wärme abgibt.
Wie man anhand von Figuren 1 und 1 1 erkennen kann, sind die Dampfmediumab- führöffnungen 88 im Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 aus zwei Loch- oder Schlitzreihen ausgebildet, wobei die Öffnungen der beiden Loch- oder Schlitzreihen zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die zwischen den einzelnen Öffnungen 88 ausgebildeten vertikale Stege 98 jeweils benachbart zu einer Öffnung der anderen Loch- oder Schlitzreihe angeordnet sind. Die beiden Loch- und Schlitzreihen sind mit geringem Abstand zueinander angeordnet, so dass dünne horizontale Stege 99 zwischen den beiden Loch- oder Schlitzreihen ausgebildet sind. Die horizontalen Stege 99 weisen eine gewisse Elastizität auf, die es erlaubt, im Bereich der Loch- und Schlitzreihen der Dampfmediumabführöffnung 88 thermische Längenunterschiede der Wärmetauscherkomponenten zu kompensieren.
Gleiches gilt für die Dampfmediumzuführöffnungen 37, die wiederum aus zwei zueinander versetzt angeordneten Loch- oder Schlitzreihen ausgebildet sind. Auch hier sind entsprechende vertikale Stege 98 und horizontale Stege 99 vorgesehen.
Diese versetzte Anordnung der Öffnungen 37 bzw. 88 stellt einen eigenständigen Erfindungsgedanken dar, der auch unabhängig von der KWK-Vorrichtung an einem Wärmetauscher eingesetzt werden kann.
Durch den Längenausgleich am Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 mittels der versetzt angeordneten Loch- oder Schlitzreihen ist es möglich, den Wärmetauscher 13 starr mit dem Gehäuse 3 der KWK-Vorrichtung zu verbinden, ohne dass weitere Kompensationselemente vorzusehen sind. Dies macht den Aufbau der gesamten KWK-Vorrichtung einfach und kostengünstig. Die Erfindung ist oben anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert worden. Im Rahmen der Erfindung sind diverse Abwandlungen und alternative Ausgestaltungen möglich.
So ist es grundsätzlich möglich, den Rotor innen und den Stator außen vorzusehen. Zum Beispiel kann beim oben erläuterten Ausführungsbeispiel der Stator mit dem Düsenabschnitt drehbar als Rotor ausgebildet sein und der bisherige Rotor feststehend angeordnet sein. Bei einem innen angeordneten Rotor können die Flügel auch als Schieber ausgebildet sein, die durch Fliehkraft ausgestellt werden, bis sie an ei- nem Anschlag anschlagen. Schwenkflügel sind jedoch aufgrund geringer Reibung gegenüber Schieberflügeln bevorzugt.
Es ist auch möglich, die Flügel am außen oder innen liegenden Stator anzuordnen, wobei sie dann jedoch nicht durch Fliehkraft betätigbar sind, sondern von einem elas- tischen Element, insbesondere einem Federelement, zu beaufschlagen sind, wobei sie mit einer Gleitkante oder einem Gleitlager entlang einer Steuerfläche geführt werden, wodurch der Flügel zwischen seiner Ruhestellung und seiner Arbeitsstellung hin und her bewegt wird. Die oben beschriebene Ausgestaltung der Flügel ist jedoch bevorzugt, da eine derartige Steuerung mittels einer Führungsfläche zusätzliche Rei- bung verursacht.
Bei der Erfindung sind die Flügel in der Arbeitsstellung vorzugsweise mit einem kleinen Spalt bezüglich der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche des Arbeitsraums angeordnet, so dass keinerlei Reibung auftritt. Gleiches gilt auch für den Düsenab- schnitt und der ihm gegenüberliegenden Fläche. Im Rahmen der Erfindung können diese Spalte jedoch abgedichtet werden. Dies ist insbesondere mittels einer Flüssigkeitsdichtung möglich, die zum Beispiel Glycerin umfasst. Das Glycerin wird der Kraftmaschine einmal zugegeben und dichtet dauerhaft die Spalte zwischen den Flügeln und den an den Flügeln angrenzenden Flächen ab. Aufgrund der Zentrifugal- kräfte gelangt die Flüssigkeit nicht durch die Auslassöffnungen in den Wärmetauscher. Die Flüssigkeit besitzt einen höheren Siedepunkt als das Dampfmedium, so dass sie nicht verdampft und ein dünner Flüssigkeitsfilm die Spalte im Arbeitsraum abdichtet.
Die Spalte, insbesondere zwischen den Flügeln und der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche, können auch mittels Kunststoffdichtungen, Metalldichtungen (z.B. Federblech) abgedichtet werden, solange sichergestellt ist, dass diese Dichtungen keine hohe Reibung verursachen.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die Flügel am Stator anzuordnen. Dann sind die Düsen am Rotor anzuordnen, so dass im Betrieb immer die Flügel und die Düsen relativ zueinander bewegt werden.
Vorzugsweise ist der Arbeitsraum durch eine innere Begrenzungsfläche und eine äußere Begrenzungsfläche (im obigen Ausführungsbeispiel: Innenfläche der Isolierung) begrenzt, die im wesentlichen parallel zueinander ausgebildet sind, so dass der Arbeitsraum über seine gesamte Längserstreckung im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche aufweist.
Im Rahmen der Erfindung können die Düsen auch an anderer Stelle, insbesondere an Wandungen, die den Arbeitsraum seitlich begrenzen, angeordnet werden. Die im oben dargelegten Ausführungsbeispiel gezeigte Anordnung am in Drehrichtung rück- wertigen Ende des Arbeitsraumes ist jedoch bevorzugt, da sie einen maximalen Arbeitsweg der Flügel unter Druck ermöglicht.
Es ist auch möglich, die Kraftmaschine mit einem einzigen Arbeitsraum auszubilden. Bei Verwendung von zwei diametral gegenüberliegenden Flügel sollte sich der Arbeitsraum über einen Winkelbereich von mehr als 180° erstrecken.
Weiterhin ist die Kraftmaschine und/oder die KWK-Vorrichtung mit einer Steuerein- richtung versehen, die die Flüsse, insbesondere des Wärmeträgers und/oder des
Dampfmediums, steuert. Durch die Menge des zugeführten Wärmeträgers kann die mechanische Leistung der Kraftmaschine gesteuert werden. Diese KWK-Vorrichtung zeichnet sich andererseits dadurch aus, dass im Strömungsweg des Dampfes keine
Ventile, Drosseln und lange Übertragungsleitungen angeordnet sind, was die Kraft- maschine sehr robust und zuverlässig macht. Durch die unmittelbare Anordnung der
Kraftmaschine auf dem Wärmeträger entfallen lange Übertragungswege und es sind keine Regelorgane notwendig.
Bei einer weiteren Abwandlung kann der Generator mit einer Zuleitung für flüssiges Dampfmedium versehen sein, mit dem der Generator gekühlt wird. Das Dampfmedium wird im Generator verdampft und das gasförmige Dampfmedium nach unten in der KWK- Vorrichtung durch Öffnungen 90 im Gehäuse 26 des Wärmetauschers 13 in die Regeneratorkammer 27 geführt.
Bei einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der Innenraum des Gehäuses der KWK-Vorrichtung mit Stickstoff gefüllt sein, der im Kreislauf umgewälzt wird und sich am Regenerator und/oder am Kondensator abkühlt und zur Kühlung des Generators und/oder der Kraftmaschine dient.
Die Erfindung kann bzgl. der Kraftmaschine folgendermaßen kurz zusammengefasst werden:
Die Kraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass ein Arbeitsraum durch einen ausstellbar gelagerten Flügel begrenzt wird, der mittels eines Anschlages mit minimalem Abstand zu einer gegenüberliegenden Begrenzungsfläche justiert ist, so dass der Flügel von einem in einem Arbeitsraum befindlichen Medium verdrängt wird, um einen Rotor zu bewegen, wobei keine Reibung zwischen dem Flügel und der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche auftritt.
Die KWK-Vorrichtung (Kraft-Wärmekopplungs-Vorrichtung) zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Gehäuse eine mit Dampf betriebene Kraftmaschine, ein Generator und ein Wärmetausche angeordnet sind. Durch das Gehäuse sind diese Elemente gegenüber der Umwelt sowohl thermisch als auch druckdicht abgekapselt.
Bezuqszeichenliste 31 obere Regeneratorlochplat
1 KWK-Vorrichtung 32 Rohrsegmente
2 Kraftmaschine 33 Zwischenlochplatte
3 Gehäuse 40 34 untere Beschickungskam
4 kreisförmige Deckenwanmer dung 35 obere Beschickungskam
5 kreisförmige Bodenwan- mer dung 36 Auslassrohr
6 zylindrische Seitenwandung 45 37 Dampfmediumzuführöff-
7 oberer Gehäusebereich nung
8 mittlerer Gehäusebereich 38 Zuführkanal
9 erste Zwischenwandung 39 Zuführleitung
10 unterer Gehäusebereich 40 Pumpe
11 zweite Zwischenwandung 50 41 Segment
12 Längsachse 42 Dampfkammer
13 Wärmetauscher 43 Dampfmediumauslassöff-
14 Generator nung
15 Stator 44 Dampfmediumeinlassöff-
16 Rotor 55 nung
17 Kondensator 45 Drehrichtung
18 Dampfmedium 46 obere Begrenzungswan
19 Mediumsspeicher düng
20 Einlassrohr 47 untere Begrenzungswan
21 Wärmeträger 60 düng
22 Erhitzerrohrregister 48 Innenwandung
23 Erhitzerrohr 49 Ringsteg
24 Regeneratorrohr 50 Einlasskanal
25 Verdampfungskammer 51 Auslasskanal
26 rohrförmiges Gehäuse 65 52 Einlassöffnung
27 Regeneratorkammer 53 Düsenkammer
28 untere Erhitzerlochplatte 54 Leitbleche
29 obere Erhitzerlochplatte 55 Düsenabschnitt
30 untere Regeneratorloch56 Düsenaußenfläche platte 70 57 rückwärtige konkave Du senflächen 58 vordere konvexe Düsenflä92 erster Zwischenraum chen 93 zweite Führung
59 Seitenwandung 94 Frischdampf
60 Düse 40 95 dritte Führung
61 Formkörper 96 Wärmeträgermedium
62 innere Begrenzungsfläche 97 Zwischenraum
63 Stirnfläche 98 Vertikaler Steg
64 Auslassöffnung 99 Horizontaler Steg
65 Führungsbleche 45
66 Führungskante
67 freie Kante
68 Rotorkörper
69 unterer Ringvorsatz
70 oberer Ringvorsatz
71 Isolierung
72 Aussparungen
73 Flügel
74 Basisabschnitt
75 kurzer Schenkelabschnitt
76 langer Schenkelabschnitt
77 Durchgangsbohrung
78 Stift
79 Anschlagsfläche
80 Anschlag
81 freie Endkante
82 Arbeitsraum
83 Deckenwandung
84 Welle
85 Lager
86 Zuleitung
87 Ableitung
88 Dampfmediumabführöff- nung
89 Tasche
90 Öffnung
91 erste Führung

Claims

Patentansprüche
1. KWK- Vorrichtung, umfassend
- eine dampfbetriebene Kraftmaschine (2), - einen Wärmetauscher (13) zum Verdampfen eines Strömungsmittels, um die Kraftmaschine (2) anzutreiben,
- einen von der Kraftmaschine (2) angetriebenen Generator (14), und
- ein mediumdichtes Gehäuse (3), in dem sich die Kraftmaschine, der Wärmetauscher und der Generator befindet, wobei der Wärmetauscher (13) zum Übertragen von Wärme von einem von außen zugeführten Wärmeträger (21 ) auf ein sich innerhalb des Gehäuses (3) im geschlossenen Kreislauf umgewälztes Dampfmedium (18) zum Antreiben der Kraftmaschine ausgebildet ist.
2. KWK- Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmaschine (2) unmittelbar auf dem Wärmetauscher (13) angeordnet ist.
3. KWK-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) eine Regeneratorkammer (27) zum Regenerieren des aus der Kraftmaschine (2) austretenden Dampfmediums aufweist, wobei das zu rgenerieren- de Dampfmedium (18) im Gegenstrom zum zu erhitzenden Dampfmedium im Wärmetauscher (13) geführt werden.
4. KWK-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und die Kraftmaschine (2) den Wärmetauscher (13) ringförmig an einem Ende des Wärmetauschers (13) umschließt.
5. KWK-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (3) ein Kondensator (17) zum Kondensieren des Strömungsmittels angeordnet ist, wobei vom Kondensator (17) ein Kühlkreislauf nach außerhalb des Gehäuses (3) geführt ist.
6. KWK- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kreislauf zum Umwälzen des Dampfmediums (18) durch den Wärmetauscher, (13) durch die Kraftmaschine, durch den Regenerator und zum Kondensator ausgebildet ist, wobei dieser Kreislauf fast ausschließlich innerhalb des Gehäuses (3) angeordnet ist.
7. KWK- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) thermisch isoliert ist.
8. KWK- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) zumindest ein Erhitzerrohr (23) zum Durchführen eines Wärmeträgers, eine an das Erhitzerrohr angrenzende Verdampfungskammer (25) zum Verdampfen eines Dampdmediums und eine an die Verdampfungskammer (25) angrenzende Regeneratorkammer (27) zum Regenerieren von aus der Kraftmaschine austretendem Strömungsmittel.
9. KWK-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) ein Erhitzerrohrregister (22) mit mehreren Erhitzerrohren (23) aufweist, wobei ein jedes Erhitzerrohr (23) von einem Regeneratorrohr (24) umgeben ist, wobei zwischen einem jeden Paar aus Erhitzerrohr (23) und Regeneratorrohr (24) eine Regeneratorkammer (27) ausgebildet ist, und der Wärmetauscher (13) ein Gehäuse (26) aufweist, wobei zwischen dem Gehäuse (26) und den Regeneratorrohren (24) die Regeneratorkammer (27) begrenzt ist.
10. KWK-Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzerrohre (23) an ihren Enden an schottartig im Wärmetauscher (13) angeordneten Erhitzerlochplatten (28, 29) münden und die Regeneratorrohre (24) an entsprechenden schottartigen Regeneratorlochplatten (30, 31 ) münden, wobei die Regeneratorloch- platten (30, 31 ) innerhalb des von den Erhitzerlochplatten (28, 29) begrenzten Bereichs angeordnet sind und jeweils bündig mit dem Gehäuse (26) des Wärmetauschers (13) abschließen und, so dass zwischen jeweils einer der Erhitzerlochplatten (28, 29) und jeweils einer der Regeneratorlochplatten (30, 31 ) ein Zwischenraum begrenzt ist, der über Öffnungen (37, 43) im Gehäuse (26) des Wärmetauschers (13) kommunizierend mit der Umgebung verbunden ist.
11. KWK- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) ein Gehäuse (26) aufweist, in dem Dampfmedi- umzuführöffnungen (37) und/oder Dampfmediumabführöffnungen (88) durch zumindest zwei benachbarte Loch- oder Schlitzreihen umlaufend um das Gehäuse (26) ausgebildet sind, wobei die jeweilige Öffnungen (37, 88) der beiden Reihen zu einander versetzt angeordnet sind.
12. KWK-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , gekennzeichnet durch, eine Kraftmaschine mit einem ortsfesten Stator (16) und einem drehbar gelagerten Rotor (17), mit wenigstens einem Arbeitsraum (82), der zwischen dem Stator (16) und dem Rotor (17) mit einer inneren und äußeren Begrenzungsfläche ausgebildet ist und mit einem eingangssei- tigen Einlaß (52) zum Zuführen von Strömungsmittel in den Arbeitsraum (82) versehen ist, und wenigstens einem an einer der Begrenzungsflächen ausstellbar gelagerten Flügel (73) zur Begrenzung des Arbeitsraumes (82) am Einlaß gegenüberliegenden Ende des Arbeitsraumes, wobei der Flügel (73) mit einer freien Endkante (81) in Richtung zur gegenüberliegenden Begrenzungsfläche ausstellbar ist und ein Anschlag (80) derart vorgesehen ist, dass er in seiner ausgestellten Arbeitstellung durch den Anschlag (80) mit seiner freien Endkante (81 ) exakt auf diese gegenüberliegende Begrenzungsfläche justiert ist.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1900620A (en) * 1931-01-23 1933-03-07 Stauber Georg Rotary mechanical apparatus
US2576284A (en) * 1948-02-19 1951-11-27 Crocchi Piero Vapor electricity generator set
JPS58183876A (ja) * 1982-04-20 1983-10-27 Honda Motor Co Ltd ヒ−トパイプ発電機
DE19957425A1 (de) * 1998-12-02 2000-08-24 Gerd Degener Energiewandler und Verfahren zur Nutzung niederpotentieller Energieträger
EP1189007A2 (de) * 2000-09-19 2002-03-20 Piero Pasqualini Wärmetauscher
EP1574664A1 (de) * 2004-03-09 2005-09-14 Radziwill Compressors Sp. z.o.o. Dreh- und Schwingkolbenmaschine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1900620A (en) * 1931-01-23 1933-03-07 Stauber Georg Rotary mechanical apparatus
US2576284A (en) * 1948-02-19 1951-11-27 Crocchi Piero Vapor electricity generator set
JPS58183876A (ja) * 1982-04-20 1983-10-27 Honda Motor Co Ltd ヒ−トパイプ発電機
DE19957425A1 (de) * 1998-12-02 2000-08-24 Gerd Degener Energiewandler und Verfahren zur Nutzung niederpotentieller Energieträger
EP1189007A2 (de) * 2000-09-19 2002-03-20 Piero Pasqualini Wärmetauscher
EP1574664A1 (de) * 2004-03-09 2005-09-14 Radziwill Compressors Sp. z.o.o. Dreh- und Schwingkolbenmaschine

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