EP2853684A1 - Verfahren zur Gewinnung mechanischer Arbeit - Google Patents

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EP2853684A1
EP2853684A1 EP14186740.8A EP14186740A EP2853684A1 EP 2853684 A1 EP2853684 A1 EP 2853684A1 EP 14186740 A EP14186740 A EP 14186740A EP 2853684 A1 EP2853684 A1 EP 2853684A1
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EP
European Patent Office
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cylinder
expansion machine
machine according
resonance line
fluid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14186740.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Matthias Knopf
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Original Assignee
Individual
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Publication date
Priority claimed from ATA50625/2013A external-priority patent/AT514817B1/de
Priority claimed from ATA50624/2013A external-priority patent/AT514816B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B17/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by use of uniflow principle
    • F01B17/02—Engines
    • F01B17/04—Steam engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B17/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by use of uniflow principle
    • F01B17/02—Engines
    • F01B17/022—Engines with fluid heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B7/00—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F01B7/16—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with pistons synchronously moving in tandem arrangement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L21/00—Use of working pistons or pistons-rods as fluid-distributing valves or as valve-supporting elements, e.g. in free-piston machines
    • F01L21/02—Piston or piston-rod used as valve members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating

Definitions

  • the present invention relates to a method for obtaining mechanical work from the expansion of a fluid in an expansion machine according to the preamble of claim 1.
  • turbomachinery The extraction of mechanical work by expansion of fluids, for example, but not exclusively water vapor, is almost exclusively at higher power using turbomachinery, as they have high efficiencies in a compact and inexpensive construction.
  • piston engines are still competitive in the area of lower powers, for example in the kilowatt range, since turbo engines can only achieve relatively low efficiencies here.
  • the present invention relates to such reciprocating engines and methods of operating such reciprocating engines for expanding fluids in general and water vapor in particular.
  • the present invention is suitable for all types of reciprocating engines, including for rotary piston engines.
  • the piston in the cylinder is moved back and forth in a straight line.
  • a first and a second cylinder are provided with a common axis and in the first and in the second cylinder, a first and a second piston are arranged to be movable.
  • the two pistons are interconnected by a common piston rod.
  • Such a method is realized, for example, by so-called DC steam engines.
  • This type of steam engine has the advantage that the inflow and outflow of steam occur at opposite ends of the cylinder, i.e. that the steam flows through the cylinder in only one direction and therefore can adjust in the longitudinal direction a temperature gradient in the cylinder. This reduces the risk of condensation effects in the cylinder and has a positive effect on the efficiency.
  • Such steam engines have achieved considerable success in the design stump in various applications.
  • the US 1,798,816 A shows a work machine having a single cylinder with a reciprocally movable piston which is acted upon on both sides.
  • the fluid is fed via a spool and inlet lines to the lateral cylinder heads and introduced there into the cylinder. Even with such a machine, a hard run is observed.
  • Object of the present invention is to develop the method described above so that these disadvantages are overcome and high efficiency and quiet running can be achieved. Another object is to provide a structurally simple expansion machine, with which such a method can be performed.
  • the fluid is guided downstream of the control means in each case via a resonance line to the inlet openings.
  • the purpose of the resonance line is to cause a certain delay in the inflow of the fluid into the cylinder, which in particular benefits a smooth running.
  • a particularly high efficiency can be achieved by reheating the fluid downstream of a spool.
  • the temperature of the cylinder contents decreases during the expansion, which reduces the efficiency by the associated pressure drop accordingly.
  • This disadvantage can be mitigated by the reheating, especially if the reheating is effective over a not insignificant part of the expansion.
  • the inlet of the fluid into the cylinders is controlled by inlet valves.
  • the inlet of the fluid into the cylinders may also be controlled by the common piston rod.
  • outlet openings in a region remote from the common cylinder head are opened by the pistons. This makes it possible to get along completely without control valves.
  • a particularly smooth running of the machine is achieved in that the fluid takes place from an inflow chamber via a resonance line into the cylinder.
  • the resonance line has the task, a certain delay in the inflow cause the fluid in the cylinder, which in particular a soft run benefits.
  • the reheating described above can be carried out so particularly advantageous.
  • the invention also relates to an expansion machine with a cylinder in which a piston is movably arranged, with a control means for controlling the inlet of the fluid into the cylinder, with at least one inlet opening for the cylinder and with at least one outlet opening for the cylinder.
  • a first and a second cylinder are provided, in each of which a first and a second piston is arranged to be movable.
  • the two pistons are interconnected by a common piston rod.
  • the first and the second cylinder are arranged with a common axis on both sides of a common cylinder head is particularly advantageous.
  • at least one resonance line is provided for each cylinder, which is arranged between the control means and the inlet opening. Due to the resonance line gas-dynamic effects are achieved, which lead to an increase in efficiency and ensure a smooth running.
  • the dynamic flow effects cause, in particular, that in the region of top dead center, during the opening of the control means in the resonance line is not a state of equilibrium, but a pressure drop, which degrades only slowly due to the length and the small diameter of the resonance line.
  • a Nachström bin is effected even after the closing of the spool, which has a positive effect on smoothness and efficiency.
  • the resonance line is long and thin.
  • the resonance line has a length which is between ten times and a thousand times, preferably between twenty and five hundred times the hydraulic diameter at its narrowest point.
  • the hydraulic diameter corresponds with circular cross-sections of the geometric inner diameter, otherwise four times the cross-sectional area, divided by the wetted perimeter.
  • control means are formed as fixedly connected to the piston rod spool with recesses.
  • the piston rod is designed as a control slide.
  • control means are designed as inlet valves.
  • a common inflow chamber is provided for both cylinders.
  • unwanted pressure drops can be largely avoided if the common inflow has a volume which has at least one sixth, preferably at least half of the stroke volume of a cylinder.
  • undesirable pressure fluctuations in the supply network upstream of the inflow chamber can be minimized.
  • At least one heat exchanger is provided for reheating the fluid.
  • heat can also be supplied during the expansion movement of the piston, which leads to a corresponding improvement in efficiency, since an approximation to the inherently less favorable isothermal expansion is achieved.
  • a further improvement in the efficiency can be achieved by providing a bypass line that is shorter than the resonance line in parallel with the resonant line. It is particularly simple when the bypass line is controlled by the spool.
  • the resonance line is expanded in the manner of a diffuser in the region of the inlet opening, wherein the flow cross-section at the inlet opening is preferably extended between 10% and 300%.
  • the flow in the resonance line is accelerated as it flows into the cylinder, resulting in an improved filling and an increase in the efficiency.
  • the expansion machine according to the invention is designed as a free-piston engine. This can be used in particular in such a way that a linear generator for generating electrical current is connected to the pistons.
  • crank drive may be conventionally connected to the pistons.
  • FIGS. Show it: Fig. 1 a first embodiment of the invention schematically in section, the Fig. 2 an alternative variant in an analog representation and Fig. 3 another embodiment.
  • the expansion machine of Fig. 1 consists of a cylinder block 1, which comprises a common cylinder head 2, to which a first cylinder 3 and a second cylinder 4 connect.
  • a first piston 5 and in the second cylinder 4 a second piston 6 is movable in the axial direction.
  • the pistons 5, 6 are connected by a common piston rod 7 firmly together.
  • the first piston 5 is shown near its top dead center so that the second piston 6 is near its bottom dead center.
  • an inflow chamber 8 is provided, which is continuously supplied via a supply line 9 with pressurized fluid, in the present case live steam.
  • the volume of the inflow chamber 8 is approximately 60% of the stroke volume of one of the cylinders 3, 4.
  • a first resonant line 10 is led out of the cylinder head 2 and is in permanent communication with the first cylinder chamber 12.
  • a second resonant line 11 is also led out of the cylinder head 2 and communicates with the second cylinder chamber 13 in permanent connection.
  • the piston rod 7 is formed by recesses 14 as a control slide in order to establish a connection between the inflow chamber 8 and the upstream end of the respective resonance line 10, 11 in the region of top dead center of the pistons 5, 6.
  • Heat exchangers 15 are used for additional heating of the fluid in the resonant lines 10, 11, so when operating with steam overheating of the steam, with only the heat exchanger 15 are shown on the first resonant lines 10 for simplicity of illustration.
  • the outlet openings 16 are opened in order to allow the expanded fluid to flow out.
  • the resonance line 10 serves as a buffer volume, which reduces the compression work.
  • Fig. 2 The variant of Fig. 2 is different from that of Fig. 1 in that an additional connection between the upstream end of the resonance line 10 and the cylinder space 12 is realized by a bypass line 19.
  • An analogous connection through a further bypass line between the inflow chamber 8 and the second cylinder chamber 13 is not shown for the sake of simplicity.
  • the bypass line 19 is opened in the expansion movement by a control edge 20 after the spool 7 has interrupted the connection between the inflow chamber 8 and the upstream end of the resonance line 10. Through this additional connection, the throttle losses in the resonant line 10 can be reduced.
  • An analog connection through the bypass line 19 during the compression phase also serves to reduce flow losses.
  • valves 14a, 14b which form the control means here.
  • These can be mechanical (eg via cams) or electromagnetically actuated.
  • the valve control makes it possible to adapt the control times to load and operating frequency in a map-controlled manner.
  • the present invention makes it possible to present work machines that have a simple structure and high efficiency.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung mechanischer Arbeit aus der Entspannung eines Fluids in einer Expansionsmaschine mit einem Zylinder (3, 4) wobei im Zylinder (3, 4) ein Kolben (5, 6) beweglich angeordnet ist, und wobei das Fluid gesteuert durch ein Steuermittel (14; 14a, 14b) über mindestens eine Einlassöffnung (17, 18) in den Zylinder (3, 4) eingebracht wird. Erfindungsgemäß wird ein hoher Wirkungsgrad dadurch erreicht, das Fluid stromabwärts der Steuermittel (14; 14a, 14b) jeweils über eine Resonanzleitung (10, 11) zu der Einlassöffnung (17, 18) geführt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung mechanischer Arbeit aus der Entspannung eines Fluids in einer Expansionsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Die Gewinnung mechanischer Arbeit durch Expansion von Fluiden, beispielsweise aber nicht ausschließlich Wasserdampf, erfolgt bei größeren Leistungen nahezu ausschließlich unter Verwendung von Turbomaschinen, da diese hohe Wirkungsgrade bei kompaktem und kostengünstigen Aufbau aufweisen. Im Bereich kleinerer Leistungen etwa im Kilowatt-Bereich sind Kolbenmaschinen jedoch nach wie vor konkurrenzfähig, da mit Turbomaschinen hier nur relativ geringe Wirkungsgrade erzielbar sind.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft solche Kolbenmaschinen und Verfahren zum Betreiben dieser Kolbenmaschinen zur Expansion von Fluiden allgemein und von Wasserdampf im Besonderen.
  • Die vorliegende Erfindung ist für alle Arten von Kolbenmaschinen, also auch für Rotationskolbenmaschinen geeignet. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Kolben im Zylinder geradlinig hin und her bewegt wird.
  • Vorzugsweise sind ein erster und einem zweiter Zylinder mit gemeinsamer Achse vorgesehen und im ersten und im zweiten Zylinder sind ein erster bzw. ein zweiter Kolben beweglich angeordnet.
  • Insbesondere sind die beiden Kolben durch eine gemeinsame Kolbenstange miteinander verbunden.
  • Ein solches Verfahren wird beispielsweise durch sogenannte Gleichstromdampfmaschinen verwirklicht. Diese Bauart von Dampfmaschinen besitzt den Vorteil, dass Einströmung und Ausströmung von Dampf jeweils an einander gegenüberliegenden Enden des Zylinders erfolgt, d.h., dass der Dampf den Zylinder nur in einer Richtung durchströmt und sich daher in Längsrichtung ein Temperaturgefälle im Zylinder einstellen kann. Dies verringert die Gefahr von Kondensationseffekten im Zylinder und wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad aus. Solche Dampfmaschinen haben in der Bauform Stumpf in verschiedenen Anwendungsgebieten beachtliche Erfolge erzielt.
  • Besondere Vorteile haben Maschinen mit koaxial angeordneten Zylindern, die mit dem Gleichstromverfahren arbeiten. Eine solche Maschine ist in der GB 16 274 A beschrieben. Dabei wird der Dampf über Ventile im Bereich eines gemeinsamen Zylinderkopfs in die Zylinderinnenräume geführt und über Steuerschlitze an den gegenüberliegenden Enden abgeführt. Nachteilig bei dieser Lösung sind einerseits ein aufwendiger Aufbau und andererseits ein relativ harter Lauf einer solchen Maschine. Ähnliches gilt für die Lösung, die in der DE 32 15 487 A beschrieben ist.
  • Die US 1,798,816 A zeigt eine Arbeitsmaschine, die einen einzelnen Zylinder mit einem darin hin und her beweglichen Kolben aufweist, der beidseitig beaufschlagt ist. Das Fluid wird über einen Steuerschieber und Einlassleitungen zu den seitlichen Zylinderköpfen geführt und dort in den Zylinder eingeführt. Auch bei einer solchen Maschine ist ein harter Lauf zu beobachten.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das oben beschriebene Verfahren so weiterzubilden, dass diese Nachteile überwunden werden und ein hoher Wirkungsgrad und ein ruhiger Lauf erzielt werden. Eine weitere Aufgabe ist es eine konstruktiv einfache Expansionsmaschine anzugeben, mit der ein solches Verfahren ausgeführt werden kann.
  • Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass das Fluid stromabwärts der Steuermittel jeweils über eine Resonanzleitung zu den Einlassöffnungen geführt wird. Die Resonanzleitung hat dabei die Aufgabe, eine gewisse Verzögerung bei der Einströmung des Fluids in die Zylinder zu verursachen, was insbesondere einem weichen Lauf zugute kommt.
  • Ein besonders hoher Wirkungsgrad kann dadurch erreicht werden, dass das Fluid stromabwärts eines Steuerschiebers nacherwärmt wird. Naturgemäß sinkt die Temperatur des Zylinderinhalts während der Expansion ab, was durch den damit verbundenen Druckabfall den Wirkungsgrad entsprechend verringert. Dieser Nachteil kann durch die Nacherwärmung gemildert werden, insbesondere dann, wenn die Nacherwärmung über einen nicht unwesentlichen Teil der Expansion wirksam ist.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Einlass des Fluids in die Zylinder durch Einlassventile gesteuert wird. Alternativ kann der Einlass des Fluids in die Zylinder auch durch die gemeinsame Kolbenstange gesteuert werden. Dadurch kann eine wesentliche Vereinfachung gegenüber bekannten Lösungen erreicht werden. Es hat sich auch bei Versuchen herausgestellt, dass ein besonders ruhiger Lauf und ein hoher Wirkungsgrad durch diese Maßnahmen erzielbar sind.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn Auslassöffnungen in einem Bereich entfernt vom gemeinsamen Zylinderkopf durch die Kolben aufgesteuert werden. Damit ist es möglich, völlig ohne Steuerventile auszukommen.
  • Ein besonders weicher Lauf der Maschine wird dadurch erreicht, dass das Fluid von einer Einströmkammer über eine Resonanzleitung in die Zylinder erfolgt. Die Resonanzleitung hat dabei die Aufgabe, eine gewisse Verzögerung bei der Einströmung des Fluids in die Zylinder zu verursachen, was insbesondere einem weichen Lauf zugute kommt. Auch die oben beschriebene Nacherwärmung kann so besonders vorteilhaft durchgeführt werden.
  • Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn das Verfahren so geführt wird, dass bei Erreichen des oberen Totpunkts eines Kolbens folgende Schritte ausgeführt werden:
    • es wird eine Verbindung zwischen der Einströmkammer und einem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung hergestellt, so dass Fluid in die Resonanzleitung einströmt, um weiter in den Zylinder zu strömen;
    • es wird die Verbindung zwischen der Einströmkammer und einem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung unterbrochen;
    • es wird eine Verbindung zwischen dem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung und einem stromaufwärtigen Ende einer Bypassleitung hergestellt, die kürzer ist als die Resonanzleitung.
    • es wird die Verbindung zwischen dem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung und einem stromaufwärtigen Ende einer Bypassleitung unterbrochen.
  • Dadurch wird nach der Beendigung der Zufuhr von heißem Fluid aus der Einströmkammer die Möglichkeit geschaffen, dass das Fluid aus dem Bereich des stromaufwärtigen Endes einer Bypassleitung eine "Abkürzung" in den Zylinder nehmen kann. Dies ist vorteilhaft, da dieses Fluid aufgrund des Gasdynamik und des Widerstands in der Bypassleitung noch einen höheren Druck und eine höhere Temperatur aufweist als das Fluid im Zylinderraum. Ein zusätzlicher Effekt besteht darin, dass die Bypassleitung in der Kompressionsphase des Kolbens auch vor dem Öffnen der Verbindung zwischen Einströmkammer und dem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung eine Verbindung zwischen Zylinderraum und dem stromaufwärtigen Ende der Bypassleitung herstellt, so dass der auf den Kolben wirkende Gegendruck verringert werden kann.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Expansionsmaschine mit einem Zylinder, in dem ein Kolben beweglich angeordnet ist, mit einem Steuermittel zur Steuerung des Einlasses des Fluids in den Zylinder, mit mindestens einer Einlassöffnung für den Zylinder und mit mindestens einer Auslassöffnung für den Zylinder.
  • Vorzugsweise sind ein erster und ein zweiter Zylinder vorgesehen, in denen jeweils ein erster bzw. ein zweiter Kolben beweglich angeordnet ist. Insbesondere sind die beiden Kolben durch eine gemeinsame Kolbenstange miteinander verbunden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste und der zweite Zylinder mit gemeinsamer Achse beidseits eines gemeinsamen Zylinderkopfs angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist für jeden Zylinder mindestens eine Resonanzleitung vorgesehen, die zwischen dem Steuermittel und der Einlassöffnung angeordnet ist. Durch die Resonanzleitung werden gasdynamische Effekte erzielt, die zu einer Steigerung des Wirkungsgrads führen und einen ruhige Lauf gewährleisten. Die dynamischen Strömungseffekte bewirken insbesondere, dass im Bereich des oberen Totpunkts, während der Öffnung des Steuermittels in der Resonanzleitung nicht ein Gleichgewichtszustand vorliegt, sondern ein Druckgefälle, das sich aufgrund der Länge und des geringen Durchmessers der Resonanzleitung nur langsam abbaut. Dadurch wird auch nach dem Schließen des Steuerschiebers ein Nachströmeffekt bewirkt, der sich positiv auf Laufruhe und Wirkungsgrad auswirkt.
  • Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, dass die Resonanzleitung lang und dünn ist. Insbesondere hat es sich als günstig herausgestellt, wenn die Resonanzleitung eine Länge aufweist, die zwischen dem zehnfachen und dem tausendfachen, vorzugsweise zwischen dem zwanzigfachen und dem fünfhundertfachen hydraulischen Durchmesser an ihrer engsten Stelle liegt. Der hydraulische Durchmesser entspricht bei kreisförmigen Querschnitten dem geometrischen Innendurchmesser, ansonsten der vierfachen Querschnittsfläche, geteilt durch den benetzten Umfang.
  • Vorzugsweise sind die Steuermittel als fest mit der Kolbenstange verbundene Steuerschieber mit Ausnehmungen ausgebildet. Dadurch wird ein besonders einfacher Aufbau erreicht. Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn die Kolbenstange als Steuerschieber ausgebildet ist.
  • Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Steuermittel als Einlassventile ausgebildet sind.
  • Konstruktiv besonders günstig ist es, wenn eine gemeinsame Einströmkammer für beide Zylinder vorgesehen ist. Dabei können unerwünschte Druckabfälle weitgehend vermieden werden, wenn die gemeinsame Einströmkammer ein Volumen aufweist, das mindestens ein Sechstel, vorzugsweise mindestens die Hälfte des Hubvolumens eines Zylinders aufweist. Auch können so unerwünschte Druckschwankungen im Versorgungsnetz stromaufwärts der Einströmkammer minimiert werden.
  • In einer besonders begünstigten Ausführungsvariante der Erfindung ist mindestens ein Wärmetauscher zum Nacherwärmen des Fluids vorgesehen. Dadurch kann Wärme auch während der Expansionsbewegung des Kolbens zugeführt werden, was zu einer entsprechenden Wirkungsgradverbesserung führt, da eine Annäherung an die an sich günstigere isotherme Expansion erreicht wird.
  • Als konstruktiv vorteilhaft wurde erkannt, die Resonanzleitung aus dem gemeinsamen Zylinderkopf herauszuführen. Insbesondere ist es dabei zur Steigerung des Wirkungsgrads möglich, dass die Resonanzleitung durch einen Wärmetauscher zum Nacherwärmen des Fluids geführt ist.
  • Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads kann dadurch erreicht werden, dass parallel zur Resonanzleitung eine im Vergleich zu dieser kürzere Bypassleitung vorgesehen ist. Besonders einfach ist es dabei, wenn die Bypassleitung über den Steuerschieber gesteuert ist.
  • Vorzugsweise ist die Resonanzleitung im Bereich der Einlassöffnung diffusorartig erweitert, wobei der Durchströmquerschnitt an der Einlassöffnung vorzugsweise zwischen 10% und 300% erweitert ist. Dadurch wird die Strömung in der Resonanzleitung beim Einströmen in den Zylinder beschleunigt, was zu einer verbesserten Füllung und zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads führt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die erfindungsgemäße Expansionsmaschine als Freikolbenmaschine ausgebildet. Dies kann insbesondere so genutzt werden, dass mit den Kolben ein Lineargenerator zur Erzeugung elektrischen Stroms verbunden ist.
  • Alternativ dazu kann in herkömmlicher Weise mit den Kolben ein Kurbeltrieb verbunden sein.
  • In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante der Erfindung schematisch im Schnitt, die Fig. 2 eine Alternativvariante in einer analogen Darstellung und Fig. 3 eine weitere Ausführungsvariante.
  • Die Expansionsmaschine von Fig. 1 besteht aus einem Zylinderblock 1, der einen gemeinsamen Zylinderkopf 2 umfasst, an den ein erster Zylinder 3 und ein zweiter Zylinder 4 anschließen. Im ersten Zylinder 3 ist ein erster Kolben 5 und im zweiten Zylinder 4 ist ein zweiter Kolben 6 in Axialrichtung beweglich. Die Kolben 5, 6 sind durch eine gemeinsame Kolbenstange 7 fest miteinander verbunden. In Fig. 1 ist der erste Kolben 5 in der Nähe seines oberen Totpunkts dargestellt, so dass sich der zweite Kolben 6 in der Nähe seines unteren Totpunkts befindet.
  • Im Zylinderkopf 2 ist eine Einströmkammer 8 vorgesehen, die über eine Versorgungsleitung 9 laufend mit unter Druck stehendem Fluid, im vorliegenden Fall Frischdampf versorgt wird. Das Volumen der Einströmkammer 8 beträgt hier etwa 60% des Hubvolumens eines der Zylinder 3, 4.
  • Eine erste Resonanzleitung 10 ist aus dem Zylinderkopf 2 herausgeführt und steht mit dem ersten Zylinderraum 12 in dauerhafter Verbindung. Analog dazu ist eine zweite Resonanzleitung 11 ebenfalls aus dem Zylinderkopf 2 herausgeführt und steht mit dem zweiten Zylinderraum 13 in dauerhafter Verbindung. Die Verbindung der Resonanzleitungen 10, 11 an ihren stromabwärtigen Enden mit den Zylinderräumen 12, 13 erfolgt über Einlassöffnungen 17, 18.
  • Die Kolbenstange 7 ist durch Ausnehmungen 14 als Steuerschieber ausgebildet, um im Bereich des oberen Totpunkts der Kolben 5, 6 eine Verbindung zwischen der Einströmkammer 8 und dem stromaufwärtigen Ende der jeweiligen Resonanzleitung 10, 11 herzustellen.
  • Wärmetauscher 15 dienen zur zusätzlichen Erwärmung des Fluids in den Resonanzleitungen 10, 11, also beim Betrieb mit Dampf einer Überhitzung des Dampfs, wobei zur Vereinfachung der Darstellung nur die Wärmetauscher 15 auf den ersten Resonanzleitungen 10 dargestellt sind.
  • Auslassöffnungen 16, die von den Kolben 5, 6 im Bereich ihres unteren Totpunkts aufgesteuert werden, dienen zum Auslass des entspannten Fluids.
  • In der Folge wird der Betrieb der erfindungsgemäßen Expansionsmaschine näher erläutert.
  • In der in der Fig. 1 dargestellten Stellung ist durch die Ausnehmungen 14 der Kolbenstange 7, die hier das Steuermittel darstellen, eine Strömungsverbindung zwischen der Einströmkammer 8 und der ersten Resonanzleitung 10 hergestellt. Heißer Frischdampf strömt dann in die erste Resonanzleitung 10 ein, wobei aufgrund der dynamischen Effekte Druck und Temperatur am stromaufwärtigen Ende der ersten Resonanzleitung 10 höher sind als stromabwärts davon. Allerdings erfolgt eine Erwärmung und Überhitzung des Dampfs im Wärmetauscher 15, bevor der Dampf in den ersten Zylinderraum 12 einströmt. Während der Entspannung durch die Kolbenbewegung strömt weiter Dampf in den Zylinderraum 12, ein, und zwar in geringem Umfang auch noch nach dem Schließen der Verbindung zwischen der Einströmkammer 8 und der ersten Resonanzleitung 10. Dadurch wird in Verbindung mit der Nacherwärmung im Wärmetauscher 15 an Stelle einer adiabaten Expansion eine Annäherung an eine thermodynamisch 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 Kompression dient die Resonanzleitung 10 als Puffervolumen, das die Kompressionsarbeit verringert.
  • Die Ausführungsvariante von Fig. 2 unterscheidet sich von der von Fig. 1 dadurch, dass durch eine Bypassleitung 19 eine zusätzliche Verbindung zwischen dem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung 10 und dem Zylinderraum 12 verwirklicht ist. Eine analoge Verbindung durch eine weitere Bypassleitung zwischen der Einströmkammer 8 und dem zweiten Zylinderraum 13 ist zur Vereinfachung nicht dargestellt.
  • Die Bypassleitung 19 wird bei der Expansionsbewegung durch eine Steuerkante 20 aufgesteuert, nachdem der Steuerschieber 7 die Verbindung zwischen der Einströmkammer 8 und dem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung 10 unterbrochen hat. Durch diese zusätzliche Verbindung können die Drosselverluste in der Resonanzleitung 10 verringert werden. Eine analoge Verbindung durch die Bypassleitung 19 während der Kompressionsphase dient ebenfalls der Verringerung von Strömungsverlusten.
  • Bei beiden der oben beschrieben Ausführungsvarianten kann mechanisch Arbeit oder elektrische Energie dadurch gewonnen werden, dass entweder ein Lineargenerator oder ein Kurbeltrieb mit den Kolben verbunden ist, was in den Figuren nicht dargestellt ist.
  • Bei der Ausführungsvariante von Fig. 3 erfolgt die Steuerung der Fluidzufuhr über Einlassventile 14a, 14b, die hier die Steuermittel bilden. Diese können mechanisch (z.B. über Nocken) oder elektromagnetisch betätigt sein. Die Ventilsteuerung ermöglicht es, die Steuerzeiten an Last und Arbeitsfrequenz kennfeldgesteuert anzupassen.
  • Wesentlich ist, dass die Resonanzleitungen 10, 11 zwischen den Einlassventilen 14a, 14b und den Einlassöffnungen 17, 18 eine ausreichende Länge aufweisen, um entsprechende gasdynamische Effekte zu ermöglichen.
  • Bei dieser Ausführungsvariante ist auch ein kombinierter Wärmetauscher 15 für beide Resonanzleitungen 10, 11 vorgesehen. Ansonsten entspricht diese Ausführungsvariante den oben beschriebenen.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Arbeitsmaschinen darzustellen, die einen einfachen Aufbau und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.

Claims (17)

  1. 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, wobei im ersten und im zweiten Zylinder (3, 4) ein erster bzw. ein zweiter Kolben (5, 6) beweglich angeordnet sind und wobei das Fluid gesteuert durch ein Steuermittel (14; 14a, 14b) über jeweils mindestens eine Einlassöffnung (17, 18) in die Zylinder (3, 4) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid stromabwärts der Steuermittel (14; 14a, 14b) jeweils über eine Resonanzleitung (10, 11) zu der Einlassöffnung (17, 18) geführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Auslassöffnungen (16) in einem Bereich entfernt von einem gemeinsamen Zylinderkopf (2) durch die Kolben (5, 6) aufgesteuert werden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid stromabwärts der Steuermittel (14; 14a, 14b) vor dem Einströmen in einen Zylinderraum (12, 13) nacherwärmt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen des oberen Totpunkts eines Kolbens (5, 6) folgende Schritte ausgeführt werden:
    • es wird eine Verbindung zwischen einer Einströmkammer und einem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung (10, 11) hergestellt, so dass Fluid in die Resonanzleitung (10, 11) einströmt, um weiter in den Zylinder (3, 4) zu strömen;
    • es wird die Verbindung zwischen der Einströmkammer (8) und einem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung (10, 11) unterbrochen;
    • es wird eine Verbindung zwischen dem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung (10, 11) und einem stromaufwärtigen Ende einer Bypassleitung (19) hergestellt, die kürzer ist als die Resonanzleitung (10, 11);
    • es wird die Verbindung zwischen dem stromaufwärtigen Ende der Resonanzleitung (10, 11) und einem stromaufwärtigen Ende einer Bypassleitung (19) unterbrochen.
  5. Expansionsmaschine mit einem ersten und einem zweiten Zylinder (3, 4) Zylinder (3, 4), in dem ein erster bzw. ein zweiter Kolben (5, 6) beweglich angeordnet sind, wobei die beiden Kolben (5, 6) vorzugsweise durch eine gemeinsame Kolbenstange (7) miteinander verbunden sind, mit einem Steuermittel (14; 14a, 14b) zur Steuerung des Einlasses des Fluids in den Zylinder, mit mindestens einer Einlassöffnung (17, 18) für die Zylinder (3, 4) und mit mindestens einer Auslassöffnung (16) für den Zylinder (3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass für die Zylinder (3, 4) jeweils mindestens eine Resonanzleitung (10, 11) vorgesehen ist, die zwischen dem Steuermittel (14; 14a, 14b) und der Einlassöffnung (17, 18) angeordnet ist.
  6. Expansionsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Zylinder (3, 4) mit gemeinsamer Achse beidseits eines gemeinsamen Zylinderkopfs (2) angeordnet sind.
  7. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auslassöffnung (16) für jeden Zylinder (3, 4) in einem Bereich entfernt von dem Zylinderkopf (2) angeordnet ist.
  8. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzleitung (10, 11) eine Länge aufweist, die zwischen dem zehnfachen und dem tausendfachen, vorzugsweise zwischen dem zwanzigfachen und dem fünfhundertfachen hydraulischen Durchmesser an ihrer engsten Stelle liegt.
  9. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (14; 14a, 14b) als fest mit der Kolbenstange (7) verbundene Steuerschieber mit Ausnehmungen (14) ausgebildet sind, wobei die Kolbenstange (7) vorzugsweise als Steuerschieber ausgebildet ist.
  10. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (14; 14a, 14b) als Einlassventile (14a, 14b) ausgebildet sind.
  11. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf (2) mindestens eine Einströmkammer (8) vorgesehen ist, die über das Steuermittel (14; 14a, 14b) und der Einlassöffnung (17, 18) verbunden ist.
  12. Expansionsmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmkammer (8) ein Volumen aufweist, das mindestens ein Sechstel, vorzugsweise mindestens die Hälfte des Hubvolumens eines Zylinders (3, 4) aufweist.
  13. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich entfernt vom gemeinsamen Zylinderkopf (2) Auslassöffnungen (16) vorgesehen sind, die durch die Kolben (5, 6) aufgesteuert werden.
  14. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzleitung (10, 11) aus dem gemeinsamen Zylinderkopf (2) herausgeführt ist.
  15. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzleitung (10, 11) durch einen Wärmetauscher (15) zum Nacherwärmen des Fluids geführt ist.
  16. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Resonanzleitung (10, 11) eine im Vergleich zu dieser kürzere Bypassleitung (19) vorgesehen ist, die vorzugsweise über den Steuerschieber (7) gesteuert ist.
  17. Expansionsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzleitung (10, 11) im Bereich der Einlassöffnung (17, 18) diffusorartig erweitert ist, wobei der Durchströmquerschnitt an der Einlassöffnung (17, 18) vorzugsweise zwischen 10% und 300% erweitert ist.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL56533C (de) *
GB191016274A (en) 1910-07-07 1910-11-24 Arthur George Bloxam Improvements in Steam Engines.
US1798816A (en) 1920-06-01 1931-03-31 Robert C Stevens Steam engine
DE3215487A1 (de) 1982-04-26 1983-11-03 Günter 4500 Osnabrück Osterburg Kolbendampfmotor mit integriertem verdichter
US4783966A (en) * 1987-09-01 1988-11-15 Aldrich Clare A Multi-staged internal combustion engine

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