AT514817A1 - Verfahren zur Gewinnung mechanischer Arbeit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung mechanischer Arbeit aus der Entspannung eines Fluids in einer Expansionsmaschine mit einem ersten und einem zweiten Zylinder (3, 4) mit gemeinsamer Achse, die beidseits eines gemeinsamen Zylinderkopfs (2) angeordnet sind, wobei im ersten und im zweiten Zylinder (3, 4) ein erster bzw. ein zweiter Kolben (5, 6) beweglich angeordnet ist, und wobei die Kolben (5, 6) durch eine gemeinsame Kolbenstange (7) miteinander verbunden sind, wobei das Fluid im Bereich des Zylinderkopfs (2) in die Zylinder (3, 4) eingebracht wird. Erfindungsgemäß wird ein hoher Wirkungsgrad dadurch erreicht, dass der Einlass des Fluids in die Zylinder (3, 4) durch die gemeinsame Kolbenstange (7) gesteuert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung mechanischer Arbeitaus der Entspannung eines Fluids in einer Expansionsmaschine mit einem erstenund einem zweiten Zylinder mit gemeinsamer Achse, die beidseits einesgemeinsamen Zylinderkopfs angeordnet sind, wobei im ersten und im zweitenZylinder ein erster bzw. ein zweiter Kolben beweglich angeordnet ist, und wobei dieKolben durch eine gemeinsame Kolbenstange miteinander verbunden sind, wobeidas Fluid im Bereich des Zylinderkopfs in die Zylinder eingebracht wird.

Die Gewinnung mechanischer Arbeit durch Expansion von Fluiden, beispielsweiseaber nicht ausschließlich Wasserdampf, erfolgt bei größeren Leistungen nahezuausschließlich unter Verwendung von Turbomaschinen, da diese hoheWirkungsgrade bei kompaktem und kostengünstigen Aufbau aufweisen. Im Bereichkleinerer Leistungen etwa im Kilowatt-Bereich sind Kolbenmaschinen jedoch nachwie vor konkurrenzfähig, da mit Turbomaschinen hier nur relativ geringeWirkungsgrade erzielbar sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft solche Kolbenmaschinen und Verfahren zumBetreiben dieser Kolbenmaschinen zur Expansion von Fluiden allgemein und vonWasserdampf im Besonderen.

Ein solches Verfahren wird beispielsweise durch sogenannteGleichstromdampfmaschinen verwirklicht. Diese Bauart von Dampfmaschinenbesitzt den Vorteil, dass Einströmung und Ausströmung von Dampf jeweils aneinander gegenüberliegenden Enden des Zylinders erfolgt, d.h., dass der Dampfden Zylinder nur in einer Richtung durchströmt und sich daher in Längsrichtung einTemperaturgefälle im Zylinder einstellen kann. Dies verringert die Gefahr vonKondensationseffekten im Zylinder und wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad aus.Solche Dampfmaschinen haben in der Bauform Stumpf in verschiedenenAnwendungsgebieten beachtliche Erfolge erzielt.

Besondere Vorteile haben Maschinen mit koaxial angeordneten Zylindern, die mitdem Gleichstromverfahren arbeiten. Eine solche Maschine ist in der GB 16 274 Abeschrieben. Dabei wird der Dampf über Ventile im Bereich eines gemeinsamenZylinderkopfs in die Zylinderinnenräume geführt und über Steuerschlitze an dengegenüberliegenden Enden abgeführt. Nachteilig bei dieser Lösung sind einerseits ein aufwendiger Aufbau und andererseits ein relativ harter Laufeiner solchenMaschine.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das oben beschriebene Verfahren soweiterzubilden, dass diese Nachteile überwunden werden und ein hoherWirkungsgrad und ein ruhiger Lauf erzielt werden. Eine weitere Aufgabe ist es einekonstruktiv einfache Expansionsmaschine anzugeben, mit der ein solches Verfahrenausgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Einlass des Fluids in die Zylinder durchdie gemeinsame Kolbenstange gesteuert wird. Dadurch kann eine wesentlicheVereinfachung gegenüber bekannten Lösungen erreicht werden. Es hat sich auchbei Versuchen herausgestellt, dass ein besonders ruhiger Lauf und ein hoherWirkungsgrad durch diese Maßnahmen erzielbar sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn Auslassöffnungen in einem Bereich entfernt vomgemeinsamen Zylinderkopf durch die Kolben aufgesteuert werden. Damit ist esmöglich, völlig ohne Steuerventile auszukommen.

Ein besonders hoher Wirkungsgrad kann dadurch erreicht werden, dass das Fluidstromabwärts eines Steuerschiebers nacherwärmt wird. Naturgemäß sinkt dieTemperatur des Zylinderinhalts während der Expansion ab, was durch den damitverbundenen Druckabfall den Wirkungsgrad entsprechend verringert. DieserNachteil kann durch die Nacherwärmung gemildert werden, insbesondere dann,wenn die Nacherwärmung über einen nicht unwesentlichen Teil der Expansionwirksam ist.

Ein besonders weicher Lauf der Maschine wird dadurch erreicht, dass das Fluid voneiner Einströmkammer über eine Resonanzleitung in die Zylinder erfolgt. DieResonanzleitung hat dabei die Aufgabe, eine gewisse Verzögerung bei derEinströmung des Fluids in die Zylinder zu verursachen, was insbesondere einemweichen Lauf zugutekommt. Auch die oben beschriebene Nacherwärmung kann sobesonders vorteilhaft durchgeführt werden.

Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn das Verfahren so geführt wird, dass beiErreichen des oberen Totpunkts eines Kolbens folgende Schritte ausgeführt werden: • es wird eine Verbindung zwischen der Einströmkammer und einemstromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung hergestellt, so dass Fluid indie Resonanzleitung einströmt, um weiter in den Zylinder zu strömen; • es wird die Verbindung zwischen der Einströmkammer und einemstromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung unterbrochen; • es wird eine Verbindung zwischen dem stromaufwärtigen Ende derResonanzleitung und einem stromaufwärtigen Ende einer Bypassleitunghergestellt, die kürzer ist als die Resonanzleitung. • es wird die Verbindung zwischen dem stromaufwärtigen Ende derResonanzleitung und einem stromaufwärtigen Ende einer Bypassleitungunterbrochen.

Dadurch wird nach der Beendigung der Zufuhr von heißem Fluid aus derEinströmkammer die Möglichkeit geschaffen, dass das Fluid aus dem Bereich desstromaufwärtigen Endes einer Bypassleitung eine „Abkürzung" in den Zylindernehmen kann. Dies ist vorteilhaft, da dieses Fluid aufgrund des Gasdynamik unddes Widerstands in der Bypassleitung noch einen höheren Druck und eine höhereTemperatur aufweist als das Fluid im Zylinderraum. Ein zusätzlicher Effekt bestehtdarin, dass die Bypassleitung in der Kompressionsphase des Kolbens auch vor demÖffnen der Verbindung zwischen Einströmkammer und dem stromaufwärtigen Endeder Resonanzleitung eine Verbindung zwischen Zylinderraum und demstromaufwärtigen Ende der Bypassleitung herstellt, so dass der auf den Kolbenwirkende Gegendruck verringert werden kann.

Die Erfindung betrifft auch eine Expansionsmaschine mit einem ersten und einemzweiten Zylinder mit gemeinsamer Achse, die beidseits eines gemeinsamenZylinderkopfs angeordnet sind, wobei im ersten und im zweiten Zylinder ein ersterbzw. ein zweiter Kolben beweglich angeordnet ist, und wobei die Kolben durch einegemeinsame Kolbenstange miteinander verbunden sind, mit mindestens einerEinlassöffnung für jeden Zylinder, die im Bereich der Zylinderkopfs angeordnet ist,und mit mindestens einer Auslassöffnung für jeden Zylinder, die in einem Bereichentfernt vom Zylinderkopf angeordnet ist.

Erfindungsgemäß ist im Zylinderkopf mindestens eine Einströmkammervorgesehen, die über einen fest mit der Kolbenstange verbundenen Steuerschiebermit einer Einlassöffnung verbunden ist. Insbesondere ist dabei die Kolbenstangeselbst als Steuerschieber ausgebildet.

Konstruktiv besonders günstig ist es, wenn eine gemeinsame Einströmkammer fürbeide Zylinder vorgesehen ist. Dabei können unerwünschte Druckabfälleweitgehend vermieden werden, wenn die gemeinsame Einströmkammer einVolumen aufweist, das mindestens ein Sechstel, vorzugsweise mindestens dieHälfte des Hubvolumens eines Zylinders aufweist. Auch können so unerwünschteDruckschwankungen im Versorgungsnetz stromaufwärts der Einströmkammerminimiert werden.

In einer besonders begünstigten Ausführungsvariante der Erfindung ist mindestensein Wärmetauscher zum Nacherwärmen des Fluids stromabwärts einesSteuerschiebers vorgesehen. Dadurch kann Wärme auch während derExpansionsbewegung des Kolbens zugeführt werden, was zu einer entsprechendenWirkungsgradverbesserung führt, da eine Annäherung an die an sich günstigereisotherme Expansion erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Expansionsmaschine besitzt besondere Vorteile dann, wennfür jeden Zylinder mindestens eine Resonanzleitung vorgesehen ist, die dieEinströmkammer über den Steuerschieber mit dem Zylinderraum verbindet. DieResonanzleitung verursacht dynamische Strömungseffekte, d.h., dass im Bereichdes oberen Totpunkts, während der Öffnung des Steuerschiebers in derResonanzleitung nicht ein Gleichgewichtszustand vorliegt, sondern ein Druckgefälle,das sich aufgrund der Länge und des geringen Durchmessers der Resonanzleitungnur langsam abbaut. Dadurch wird auch nach dem Schließen des Steuerschiebersein Nachströmeffekt bewirkt, der sich positiv auf Laufruhe und Wirkungsgradauswirkt.

Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, dass die Resonanzleitung lang unddünn ist. Insbesondere hat es sich als günstig herausgestellt, wenn dieResonanzleitung eine Länge aufweist, die zwischen dem zehnfachen und demtausendfachen, vorzugsweise zwischen dem zwanzigfachen und demfünfhundertfachen hydraulischen Durchmesser an ihrer engsten Stelle liegt. Der hydraulische Durchmesser entspricht bei kreisförmigen Querschnitten demgeometrischen Innendurchmesser, ansonsten der vierfachen Querschnittsfläche,geteilt durch den benetzten Umfang.

Als konstruktiv vorteilhaft wurde erkannt, die Resonanzleitung aus demgemeinsamen Zylinderkopf herauszuführen. Insbesondere ist es dabei zurSteigerung des Wirkungsgrads möglich, dass die Resonanzleitung durch einenWärmetauscher zum Nacherwärmen des Fluids geführt ist.

Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads kann dadurch erreicht werden, dassparallel zur Resonanzleitung eine im Vergleich zu dieser kürzere Bypassleitungvorgesehen ist. Besonders einfach ist es dabei, wenn die Bypassleitung über denSteuerschieber gesteuert ist.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die erfindungsgemäßeExpansionsmaschine als Freikolbenmaschine ausgebildet. Dies kann insbesondereso genutzt werden, dass mit den Kolben ein Lineargenerator zur Erzeugungelektrischen Stroms verbunden ist.

Alternativ dazu kann in herkömmlicher Weise mit den Kolben ein Kurbeltriebverbunden sein.

In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren dargestelltenAusführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine ersteAusführungsvariante der Erfindung schematisch im Schnitt, die Fig. 2 eineAlternativvariante in einer analogen Darstellung.

Die Expansionsmaschine von Fig. 1 besteht aus einem Zylinderblock 1, der einengemeinsamen Zylinderkopf 2 umfasst, an den ein erster Zylinder 3 und ein zweiterZylinder 4 anschließen. Im ersten Zylinder 3 ist ein erster Kolben 5 und im zweitenZylinder 4 ist ein zweiter Kolben 6 in Axialrichtung beweglich. Die Kolben 5, 6 sinddurch eine gemeinsame Kolbenstange 7 fest miteinander verbunden. In Fig. 1 istder erste Kolben 5 in der Nähe seines oberen Totpunkts dargestellt, so dass sichder zweite Kolben 6 in der Nähe seines unteren Totpunkts befindet.

Im Zylinderkopf 2 ist eine Einströmkammer 8 vorgesehen, die über eineVersorgungsleitung 9 laufend mit unter Druck stehendem Fluid, im vorliegenden

Fall Frischdampf versorgt wird. Das Volumen der Einströmkammer 8 beträgt hieretwa 60% des Hubvolumens eines der Zylinder 3, 4.

Eine erste Resonanzleitung 10 ist aus dem Zylinderkopf 2 herausgeführt und stehtmit dem ersten Zylinderraum 12 in dauerhafter Verbindung. Analog dazu ist einezweite Resonanzleitung 11 ebenfalls aus dem Zylinderkopf 2 herausgeführt undsteht mit dem zweiten Zylinderraum 13 in dauerhafter Verbindung. Die Verbindungder Resonanzleitungen 10, 11 an ihren stromabwärtigen Enden mit denZylinderräumen 12, 13 erfolgt über Einlassöffnungen 17, 18.

Die Kolbenstange 7 ist durch Ausnehmungen 14 als Steuerschieber ausgebildet, umim Bereich des oberen Totpunkts der Kolben 5, 6 eine Verbindung zwischen derEinströmkammer 8 und dem stromaufwärtigen Ende der jeweiligen Resonanzleitung10, 11 herzustellen. Wärmetauscher 15 dienen zur zusätzlichen Erwärmung des Fluids in denResonanzleitungen 10, 11, also beim Betrieb mit Dampf einer Überhitzung desDampfs, wobei zur Vereinfachung der Darstellung nur die Wärmetauscher 15 aufden ersten Resonanzleitungen 10 dargestellt sind.

Auslassöffnungen 16, die von den Kolben 5, 6 im Bereich ihres unteren Totpunktsaufgesteuert werden, dienen zum Auslass des entspannten Fluids.

In der Folge wird der Betrieb der erfindungsgemäßen Expansionsmaschine nähererläutert.

In der in der Fig. 1 dargestellten Stellung ist durch die Ausnehmungen 14 derKolbenstange 7 eine Strömungsverbindung zwischen der Einströmkammer 8 undder ersten Resonanzleitung 10 hergestellt. Heißer Frischdampf strömt dann in dieerste Resonanzleitung 10 ein, wobei aufgrund der dynamischen Effekte Druck undTemperatur am stromaufwärtigen Ende der ersten Resonanzleitung 10 höher sindals stromabwärts davon. Allerdings erfolgt eine Erwärmung und Überhitzung desDampfs im Wärmetauscher 15, bevor der Dampf in den ersten Zylinderraum 12einströmt. Während der Entspannung durch die Kolbenbewegung strömt weiterDampf in den Zylinderraum 12, ein, und zwar in geringem Umfang auch noch nachdem Schließen der Verbindung zwischen der Einströmkammer 8 und der ersten

Resonanzleitung 10. Dadurch wird in Verbindung mit der Nacherwärmung imWärmetauscher 15 an Stelle einer adiabaten Expansion eine Annäherung an einethermodynamisch an sich günstigere isotherme Expansion erreicht.

Im Bereich des unteren Totpunkts werden die Auslassöffnungen 16 aufgesteuert,um das entspannte Fluid ausströmen zu lassen. Bei der nachfolgenden Kompressiondient die Resonanzleitung 10 als Puffervolumen, das die Kompressionsarbeitverringert.

Die Ausführungsvariante von Fig. 2 unterscheidet sich von der von Fig. 1 dadurch,dass durch eine Bypassleitung 19 eine zusätzliche Verbindung zwischen demstromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung 10 und dem Zylinderraum 12verwirklicht ist. Eine analoge Verbindung durch eine weitere Bypassleitung zwischender Einströmkammer 8 und dem zweiten Zylinderraum 13 ist zur Vereinfachungnicht dargestellt.

Die Bypassleitung 19 wird bei der Expansionsbewegung durch eine Steuerkante 20aufgesteuert, nachdem der Steuerschieber 7 die Verbindung zwischen derEinströmkammer 8 und dem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung 10unterbrochen hat. Durch diese zusätzliche Verbindung können die Drosselverlustein der Resonanzleitung 10 verringert werden. Eine analoge Verbindung durch dieBypassleitung 19 während der Kompressionsphase dient ebenfalls der Verringerungvon Strömungsverlusten.

Bei beiden der oben beschrieben Ausführungsvarianten kann mechanisch Arbeitoder elektrische Energie dadurch gewonnen werden, dass entweder einLineargenerator oder ein Kurbeltrieb mit den Kolben verbunden ist, was in denFiguren nicht dargestellt ist.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Arbeitsmaschinen darzustellen, die eineneinfachen Aufbau und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.

Claims (19)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Gewinnung mechanischer Arbeit aus der Entspannung einesFluids in einer Expansionsmaschine mit einem ersten und einem zweitenZylinder (3, 4) mit gemeinsamer Achse, die beidseits eines gemeinsamenZylinderkopfs (2) angeordnet sind, wobei im ersten und im zweiten Zylinder(3, 4) ein erster bzw. ein zweiter Kolben (5, 6) beweglich angeordnet ist, undwobei die Kolben (5, 6) durch eine gemeinsame Kolbenstange (7) miteinanderverbunden sind, wobei das Fluid im Bereich des Zylinderkopfs (2) in dieZylinder (3, 4) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassdes Fluids in die Zylinder (3, 4) durch die gemeinsame Kolbenstange (7)gesteuert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassAuslassöffnungen (16) in einem Bereich entfernt vom gemeinsamenZylinderkopf (2) durch die Kolben (5, 6) aufgesteuert werden.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass das Fluid stromabwärts eines Steuerschiebers (7) vor dem Einströmen ineinen Zylinderraum (12, 13) nacherwärmt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass das Fluid von einer Einströmkammer (8) übereine Resonanzleitung (10,11) in die Zylinder (3, 4) erfolgt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichendes oberen Totpunkts eines Kolbens (5, 6) folgende Schritte ausgeführtwerden: • es wird eine Verbindung zwischen der Einströmkammer und einem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung (10, 11) hergestellt, so dassFluid in die Resonanzleitung (10, 11) einströmt, um weiter in denZylinder (3, 4) zu strömen; • es wird die Verbindung zwischen der Einströmkammer (8) und einemstromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung (10, 11) unterbrochen; • es wird eine Verbindung zwischen dem stromaufwärtigen Ende derResonanzleitung (10, 11) und einem stromaufwärtigen Ende einerBypassleitung (19) hergestellt, die kürzer ist als die Resonanzleitung (10,11). • es wird die Verbindung zwischen dem stromaufwärtigen Ende derResonanzleitung (10, 11) und einem stromaufwärtigen Ende einerBypassleitung (19) unterbrochen.
6. 6. Expansionsmaschine mit einem ersten und einem zweiten Zylinder (3, 4) mitgemeinsamer Achse, die beidseits eines gemeinsamen Zylinderkopfs (2)angeordnet sind, wobei im ersten und im zweiten Zylinder (3, 4) jeweils einerster bzw. ein zweiter Kolben (5, 6) beweglich angeordnet ist, und wobei dieKolben (5, 6) durch eine gemeinsame Kolbenstange (7) miteinanderverbunden sind, mit mindestens einer Einlassöffnung (17, 18) für jedenZylinder (3, 4), die im Bereich der Zylinderkopfs (2) angeordnet ist, und mitmindestens einer Auslassöffnung (16) für jeden Zylinder (3, 4), die in einemBereich entfernt vom Zylinderkopf (2) angeordnet ist, dadurchgekennzeichnet, dass im Zylinderkopf (2) mindestens eine Einströmkammer (8) vorgesehen ist, die über einen fest mit der Kolbenstange (7) verbundenenSteuerschieber mit einer Einlassöffnung verbunden ist.
7. 7. Expansionsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieKolbenstange (7) als Steuerschieber ausgebildet ist.
8. 8. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurchgekennzeichnet, dass eine gemeinsame Einströmkammer (8) für beideZylinder (3, 4) vorgesehen ist.
9. 9. Expansionsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diegemeinsame Einströmkammer (8) ein Volumen aufweist, das mindestens einSechstel, vorzugsweise mindestens die Hälfte des Hubvolumens einesZylinders (3, 4) aufweist.
10. 10. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurchgekennzeichnet, dass in einem Bereich entfernt vom gemeinsamenZylinderkopf (2) Auslassöffnungen (16) vorgesehen sind, die durch die Kolben(5, 6) aufgesteuert werden.
11. 11. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurchgekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauscher (15) zumNacherwärmen des Fluids stromabwärts eines Steuerschiebers (7) vorgesehenist.
12. 12. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurchgekennzeichnet, dass für jeden Zylinder (3, 4) mindestens eineResonanzleitung (10, 11) vorgesehen ist, die die Einströmkammer (8) überden Steuerschieber (7) mit dem Zylinderraum (12, 13) verbindet.
13. 13. Expansionsmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieResonanzleitung (10, 11) eine Länge aufweist, die zwischen dem zehnfachenund dem tausendfachen, vorzugsweise zwischen dem zwanzigfachen und demfünfhundertfachen hydraulischen Durchmesser an ihrer engsten Stelle liegt.
14. 14. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurchgekennzeichnet, dass die Resonanzleitung (10, 11) aus dem gemeinsamenZylinderkopf (2) herausgeführt ist.
15. 15. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurchgekennzeichnet, dass die Resonanzleitung (10, 11) durch einenWärmetauscher (15) zum Nacherwärmen des Fluids geführt ist.
16. 16. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurchgekennzeichnet, dass parallel zur Resonanzleitung (10, 11) eine imVergleich zu dieser kürzere Bypassleitung (19) vorgesehen ist.
17. 17. Expansionsmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass dieBypassleitung (19) über den Steuerschieber (7) gesteuert ist.
18. 18. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurchgekennzeichnet, dass mit den Kolben (5, 6) ein Lineargenerator zurErzeugung elektrischen Stroms verbunden ist.
19. 19. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurchgekennzeichnet, dass mit den Kolben (5, 6) ein Kurbeltrieb mechanischverbunden ist.