KOLBENDAMPFMASCHINE MIT INTERNER FLASH-VERDAMPFUNG DES ARBEITSMEDIUMS

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbendampfmaschine sowie auf ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbendampfmaschine.

Stand der Technik.

[0002] Die zur Zeit verfügbaren Kolbendampfmaschinen arbeiten mit Dampf, der von einem Dampferzeuger bereitgestellt wird. Über Einlassventile und Auslassventile wird der Dampf so geleitet, dass er mit hohem Druck in den Zylinderraum gelangt, im Zylinderraum den Kolben bewegt, dabei entspannt und anschließend durch den Kolben aus dem Zylinderraum ausgestoßen wird.

[0003] Die für eine Kolbendampfmaschine erforderlichen Dampferzeuger bestehen meistens aus einem Wärmeübertrager, in dem das Arbeitsmedium, wie zum Beispiel Wasser, bei dem gewünschten Arbeitsdruck zur Verdampfung gebracht wird. Die für den Verdampfungsprozess erforderliche Wärme wird dabei von einem Wärmeträgermedium, wie zum Beispiel Rauchgasen, bereitgestellt. Im Gegenzug wird Wärmeträgermedium im Dampferzeuger auf eine Temperatur im Bereich der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums abgekühlt.

[0004] In einem weiteren Ansatz wird versucht, eine sogenannte Flashverdampfung in einer Schraubenmaschine zu realisieren. Hier seien die Arbeiten von Prof. Kauder, Universität Dortmund genannt. Allerdings sind die prinzipiellen Nachteile einer Schraubenmaschine unübersehbar:

Das Verdichtungs- beziehungsweise das Expansionsverhältnis, nachfolgend auch zw. Volumenverhältnis genannt, liegt bei einer Schraubenmaschine bei ca. 4 bis maximal 8. In einer Kolbendampfmaschine hingegen können Volumenverhältnisse größer 100 erreicht werden.

Der konvektive Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und den Wänden der Schraubenmaschine ist sehr groß, da eine voll ausgebildete Zwei-Phasen-Strömung vorliegt und im Übrigen die wärmeübertagende Fläche sehr groß ist.
Der volumetrische Wirkungsgrad einer Schraubenmaschine ist bauartbedingt relativ schlecht, das die Leckageverluste nicht wie bei einer Kolbendampfmaschine durch Dichtungs- oder Kolbenringe reduziert werden können.
Auch bei anderen bekannten und am Markt verfügbaren Wärmekraftmaschinen, wie zum Beispiel herkömmliche Kolbendampfmaschinen, ORC-Maschinen, die nach dem Organic-Rankine-Cycle arbeiten, Rankine-Maschinen oder Dampfturbinen, wird aus einer vorhandenen Wärmequelle, vor allem wenn die Wärmequelle eine relativ geringe Temperatur besitzt, beispielsweise 200°C, nur eine relativ geringe mechanische Leistung entnommen.

[0005] Aus der US 4,301, 655 US ist und der GB 171, 291 sind kombinierte Brennkraftmaschinen und Dampfmaschinen bekannt.

[0006] Aus der US 3, 720, 188 US und der DE 100 00 082 A1 sind Kolbenmaschinen bekannt bei der die thermische Energie durch die Wand eines Zylinderkopfs auf das Arbeitsmedium übertragen wird.

[0007] Die aus der GB 2 082 683 A bekannte Dampfmaschine weist einen externen Brenner B auf, der über einen Wärmetauscher H das flüssige Arbeitsmedium erhitzt. Bei dieser Kolbenmaschine wird das flüssige Arbeitsmedium direkt in den Arbeitsraum eingespritzt.

[0008] Um die in der Wärme des Wärmeträgermediums enthaltene Exergie bestmöglich zu nutzen, sollte das Wärmeträgermedium der Wärmequelle in einem möglichst reversiblen Prozess bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden.
In den Dampferzeugern bekannter Wärmekraftmaschinen allgemein kühlt sich das Wärmeträgermedium der Wärmequelle jedoch nur bis zu einer Temperatur nahe der Verdampfungs- bzw. Kondensationstemperatur ab. Das Wärmeträgermedium wird dabei beispielsweise nur von 200°C auf 140°C und nicht bis auf die Umgebungstemperatur abgekühlt. Insbesondere wenn nur Wärme auf relativ niedrigem Temperaturniveau zur Verfügung steht, die ohnehin nur zu einem geringen Teil in mechanische Energie umwandelbar ist, wirkt sich diese relativ hohe Endtemperatur des Wärmeträgermediums der Wärmequelle und der damit einhergehende geringe exergetische Wirkungsgrad besonders ungünstig auf die Leistungsfähigkeit und die Wirtschaftlichkeit der Wärmekraftmaschine aus.
Zudem werden bei manchen der oben genannten Wärmekraftmaschinen teilweise giftige oder schädliche Arbeitsmittel verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Wärmekraftmaschine bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Wärmekraftmaschinen mindestens zum Teil überwindet. Außerdem soll mit der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ein möglichst hoher Anteil der zur Verfügung stehenden Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kolbendampfmaschine nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 15 durch die Merkmale der charakterisierenden Teile dieser Ansprüche gelöst. Diese Lösung beinhaltet unter Anderem, dass das Arbeitsmedium in flüssiger Form in die mindestens eine Vorkammer der Kolbendampfmaschine eingebracht wird, wenn sich der Kolben im Bereich eines Oberen Totpunkts (OT) befindet. Dadurch ist es möglich, in der-erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine die flüssige Phase und die dampfförmige Phase des Arbeitsmediums zu trennen, so dass die flüssige Phase nur in geringem Maße in Kontakt mit den Wänden der Kolbendampfmaschine gelangt. In einer Versuchsanordnung wurden beispielsweise nur 2% der Arbeitsraumoberfläche von der flüssigen Phase des Arbeitsmediums benetzt. Dadurch werden die Wärmeverluste deutlich verringert.
Bei der erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine wird heißes und unter Druck stehendes Arbeitsmedium in flüssiger Form direkt oder indirekt in den Arbeitsraum eingebracht. Aufgrund der in der Kolbendampfmaschine herrschenden Drücke und Temperaturen, beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen, sobald es in die Kolbendampfmaschine eingebracht wurde. Der dabei entstehende Dampfdruck treibt den Kolben an.

[0009] Im Verlauf der Bewegung des Kolbens vergrößert sich auch das Zylindervolumen und weiteres Arbeitsmedium kann verdampfen. Bei der Verdampfung kühlt sich der flüssige Anteil des Arbeitsmediums ab. Bei der Verringerung des Drucks kühlt sich auch der dampfförmige Anteil des Arbeitsmediums ab. Aufgrund dieser Vorgänge sind der Wirkungsgrad, insbesondere der exergetische Wirkungsgrad und die Leistung der erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine deutlich erhöht gegenüber anderen Wärmekraftmaschinen.

[0010] Bei der Erfindung ist mindestens eine Vorkammer vorgesehen, die mit dem Arbeitsraum in Verbindung steht, wobei das Arbeitsmedium in die Vorkammer und besonders bevorzugt auf einer kreisähnlichen Bahn in die Vorkammer eingebracht wird. Die kreisähnliche Bahn der flüssigen Phase verursacht Zentrifugalkräfte, welche die flüssige Phase aufgrund der hohen Dichte stark radial nach außen beschleunigt. Der bei der Flash-Verdampfung des Arbeitsmediums entstehende Dampf hat eine erheblich geringere Dichte als die flüssige Phase und kann in den Zylinderraum strömen, da die Verbindung zwischen Vorkammer und Arbeitsraum im Zentrum der Vorkammer in diese mündet. Die radiale Beschleunigung bewirkt, dass die flüssige Phase nicht aus der Vorkammer austreten kann. Dadurch wird eine sehr einfache und gleichzeitig effektive Phasentrennung erreicht. Das Volumen der Vorkammer sollte möglichst klein sein.

[0011] Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Vorkammern und/oder mehrere Injektoren je Zylinder vorgesehen sind, die alle mit dem Arbeitsraum verbunden sind. Dadurch ist es möglich, das Arbeitsmedium mit unterschiedlicher Temperatur in Abhängigkeit des im Arbeitsraum während des Arbeitstakts herrschenden Drucks und/oder der im Arbeitsraum herrschenden Temperatur und/oder der Stellung des Kolbens nacheinander in die Vorkammern und/oder den Arbeitsraum einzubringen. Dadurch können Arbeitsmedien mit verschiedenen Temperaturen ohne Exergieverluste aufgrund von Mischungsvorgängen in die erfindungsgemäße Kolbendampfmaschine eingekoppelt werden.

[0012] Wenn mehrere Einspritzventile nacheinander in eine Vorkammer oder den Arbeitsraum einspritzen, ist darauf zu achten, dass das bereits im Zyklon befindliche Arbeitsmedium durch den Einspritzvorgang nicht vaporisiert oder verspritzt wird.

[0013] Alternativ ist es auch möglich, das Arbeitsmedium teilweise direkt in den Arbeitsraum einzubringen. Dabei kann dass flüssige Arbeitsmedium beim Einspritzvorgang zerstäubt werden und in Form kleiner Tropfen innerhalb des Arbeitsraums und der Vorkammer verteilt werden. Durch die Reibung zwischen den Tropfen und der gasförmigen Phase des Arbeitsmediums wird ein direkter Kontakt zwischen den Tropfen und den Oberflächen der Kolbendampfmaschine vermieden. Dadurch wird auch die unerwünschte Wärmeübertragung zwischen den Tropfen und den Oberflächen der Kolbendampfmaschine stark verringert.
Als Injektoren können Injektoren dienen, wie sie in Kraftstoffeinspritzsystemen herkömmlicher Otto- oder Dieselbrennkraftmaschinen eingesetzt werden.
Selbstverständlich kann es erforderlich sein, diese handelsüblichen Injektoren an die speziellen Einsatzbedingungen, insbesondere die teilweise sehr hohen Temperaturen und die korrosiven Arbeitsmedien, anzupassen.
Wenn das Wärmeträgermedium eine Temperatur von etwa 200°C bis 350°C aufweist, hat sich Wasser als besonders geeignet erwiesen.
Wenn Wärme oder Abwärme mit einer Temperatur von etwa 150°C bis 200°C zur Verfügung steht, hat sich Methanol als besonders geeignet erwiesen.

[0014] Wenn Wärme oder Abwärme mit einer Temperatur von etwa 100°C bis 150°C zur Verfügung steht, hat sich Pentan als besonders geeignet erwiesen.

[0015] Wenn Wärme oder Abwärme mit einer Temperatur von etwa 100°C zur Verfügung steht, hat sich R134a als besonders geeignet erwiesen.

[0016] Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die mit dem flüssigen Arbeitsmedium in Kontakt kommenden Flächen der Kolbendampfmaschine mit einer inneren und/oder äußeren Wärmedämmung zu versehen.

[0017] Die Innere Wärmedämmung ist von besonderer Bedeutung, um zu verhindern, dass das sich abkühlende flüssige Arbeitsmedium von der Zyklonwand oder anderen Flächen der Kolbendampfmaschine konvektiv Wärme aufnimmt. Diese an der Arbeitsraum bzw. Zyklon-Innenwand angeordnete wärmedämmende Beschichtung kann beispielsweise aus Teflon, Email oder Keramik sein.

[0018] Alternativ oder zusätzlich können die mit dem Arbeitsmedium in Kontakt kommenden Flächen der Kolbendampfmaschine beheizt werden, um die Kondensation des Arbeitsmediums an diesen Flächen wirksam zu unterbinden. Wenn durch den Flashprozess eine gasförmige Phase entsteht, so müssen die der gasförmigen Phase zugänglichen Bauteile der Maschine eine Temperatur haben, die größer ist als die Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums bei dem gerade herrschenden Gasdruck. Wären die Oberflächen der Bauteile kälter, so würde ein Teil der entstehenden gasförmigen Phase an diesen Oberflächen schlagartig kondensieren und die kondensierte Phase würde nicht mehr zum Antrieb des Kolbens bereitstehen und Leistung und Wirkungsgrad der Maschine würde sich verringern.

[0019] Weitere vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Die Erfindung wird durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche definiert.

Zeichnung

[0020] Es zeigen:

Figuren 1 und 2:

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kolbendampfmaschinen mit Zyklon,

Figur 3:

Eine Vorkammer einer erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine und

Figur 4:

ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschinen mit einem in den Arbeitsraum einspritzenden Injektor.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

[0021] Figur 1 zeigt beispielhaft den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine mit einer Vorkammer 13, einem Kolben 3, einem Zylinder 5, einem Pleuel 7 und einer Kurbelwelle 9, die mit einem nicht dargestellten Generator gekoppelt sein kann. Der Kolben 3 und der Zylinder 5 begrenzen einen Arbeitsraum 11. Eine Vorkammer 13 ist mit dem Arbeitsraum 11 verbunden. In die Vorkammer 13 münden eine Zuleitung 15 und eine Ableitung 17 für das Arbeitsmedium.

[0022] In der Zuleitung 15 für das flüssige Arbeitsmedium ist ein schaltbares Einlassventil 19 angeordnet. Mit Hilfe dieses Einlassventils, das als Injektor ausgebildet sein kann, kann flüssiges Arbeitsmedium in die Vorkammer 13 eingespritzt werden. Diese Einspritzung erfolgt bevorzugt, wenn sich der Kolben 3 im Bereich des Oberen Totpunkts OT befindet.

[0023] Da der Druck in der Vorkammer 13 zum Zeitpunkt der Einspritzung niedriger ist als der Druck des Arbeitsmediums in der Zuleitung 15 findet unmittelbar nach der Einspritzung des Arbeitsmediums eine sogenannte Flash-Verdampfung in der Vorkammer 13 statt. In Folge dessen steigt der Druck in der Vorkammer 13 und in dem mit der Vorkammer 13 verbundenen Arbeitsraum 11, so dass der Kolben 3 in Richtung Unterer Totpunkt UT bewegt wird und dabei Arbeit an die Kurbelwelle 9 abgibt.

[0024] Wenn der Kolben 3 sich im Bereich des Unteren Totpunkts UT befindet, wird ein in der Ableitung 17 für das Arbeitsmedium befindliches schaltbares Auslassventil 21 geöffnet und der Kolben 3 schiebt bei seiner anschließenden Bewegung in Richtung OT die verbliebene flüssige Phase und das dampfförmig gewordene Arbeitsmedium und aus dem Arbeitsraum 11 aus.

[0025] Die Ableitung 17 dient unter Anderem dazu, die in der Vorkammer 13 verbliebene flüssige Phase abzuführen. Über die Ableitung 17 kann auch das dampfförmig gewordene Arbeitsmedium abgeführt werden. Alternativ ist es auch möglich im Arbeitsraum 11 ein zusätzliches Dampfventil 22 vorzusehen, das die Abfuhr des dampfförmig gewordenen Arbeitsmediums übernimmt. Das Dampfventil 22 kann als Tellerventil ausgebildet sein und von eine Nockenwelle (nicht dargestellt), ähnlich wie ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine ausgebildet sein und betätigt werden.

[0026] Wenn das Arbeitsmedium in einem geschlossen Kreislauf geführt wird, mündet die Ableitung 17.1 für das Arbeitsmedium in einen Kondensator 23. Das durch das Dampfventil 22 abgeführte Arbeitsmedium kann durch eine Ableitung 17.3 in den Kondensator 23 geleitet werden. Dort wird das Arbeitsmedium wieder verflüssigt und anschließend von einer Pumpe 25 in einen Wärmetauscher 27 gefördert. Von dort gelangt das Arbeitsmedium über die Zuleitung 15 wieder in die Vorkammer 13.

[0027] Figur 2 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine mit zwei Vorkammern 13.1 und 13.2, zwei Zuleitungen 15.1 und 15.2 für das Arbeitsmedium. In den Zuleitungen 15.1 und 15.2 sind zwei schaltbare Einlassventile 19.1 und 19.2 angeordnet.

[0028] Die Übrigen Bauteile der Kolbendampfmaschine und deren Peripherie können wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ausgeführt sein auf das hiermit Bezug genommen wird.

[0029] Das in der ersten Zuleitung 15.1 befindliche Arbeitsmedium hat eine höhere Temperatur als das in der zweiten Zuleitung 15.2 befindliche Arbeitsmedium. Daher wird zunächst eine bestimmte Menge des in der ersten Zuleitung 15.1 befindlichen Arbeitsmediums in die erste Vorkammer 13.1 eingebracht. Dort verdampft dieses Arbeitsmedium und gibt Arbeit an den Kolben 3 ab. Dabei verringern sich Druck und Temperatur des in Arbeitsraum 11 und Vorkammern 13.1 und 13.2 befindlichen Arbeitsmediums. Sobald sich die Temperatur des in Arbeitsraum 11 und Vorkammern 13.1 und 13.2 befindlichen Arbeitsmediums an die Temperatur des in der zweiten Zuleitung 15.2 befindlichen Arbeitsmediums angenähert hat, wird noch im gleichen Arbeitshub des Kolbens 3 Arbeitsmedium aus der zweiten Zuleitung 15.2 durch kurzzeitiges Öffnen des zweiten Einlassventils 19.2 in die zweite Vorkammer 13.2 eingebracht. Auch dieses Arbeitsmedium verdampft unmittelbar nachdem es in die Vorkammer 15.2 eingebracht wurde und gibt Arbeit an den Kolben 3 ab.

[0030] Mit diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine kann Wärme genutzt werden, die auf zwei Temperaturniveaus zur Verfügung steht. Dadurch kann beispielsweise die Abwärme einer Brennkraftmaschine optimal genutzt werden, da bei einer Brennkraftmaschine die Abgase bei einer Temperatur größer 200 °C anfallen, während das Kühlmittelwärme und das Öl eine Temperatur von etwa 120°C aufweisen. Um das Arbeitsmedium auf zwei verschiedene Temperaturniveaus zu bringen, sind ein erster Wärmetauscher (nicht dargestellt), der mit der Abwärme der Abgase betrieben wird, und ein zweiter Wärmetauscher (nicht dargestellt), der mit der Abwärme des Kühlwassers und des Öls beheizt wird, erforderlich.

[0031] Zuerst wird das wärmere Arbeitsmedium mit einer Temperatur von 200°C eingespritzt. Hat sich dieses auf 120°C abgekühlt, so wird etwas 120°C heißes Arbeitsmedium eingespritzt. Der auf die Verbrennungswärme bezogene Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors kann mit der dargestellten Kolbendampfmaschine um ca. 10% erhöht werden.

[0032] Die erfindungsgemäße Kolbendampfmaschine arbeitet nach dem Zweitakt-Prinzip. Ein Ansaugtakt und ein Kompressionstakt entfallen. Im Bereich des oberen Totpunktes OT des Kolbens wird das oder die Auslassventile 21 geschlossen und danach das Arbeitsmedium durch das Einlassventil 19 eingespritzt. Auf dem Weg des Kolbens 3 vom OT zum unteren Totpunkt UT verdampft, wie beschrieben, ein Teil des Arbeitsmediums. Im Bereich des UT wird das Auslassventil 21 geöffnet. Auf dem Weg des Kolbens 3 vom UT zu OT wird die verbliebene flüssige Phase und die entstandene gasförmige Phase durch das Auslassventil 21 ausgestoßen. Flüssige und gasförmige Phase können dabei das gleich Auslassventil 21 passieren oder aber es werden getrennte Ventile vorgesehen.

[0033] In die erfindungsgemäße Kolbendampfmaschine wird heißes flüssiges Arbeitsmedium unter Druck in eine Vorkammer der Kolbendampfmaschine eingespritzt. Das Arbeitsmittel kann unschädliches Wasser sein.

[0034] Figur 3 zeigt den Aufbau einer Vorkammer 13 für eine erfindungsgemäße Kolbendampfmaschine. Die Vorkammer 13 ist ähnlich wie ein Zyklonabscheider aufgebaut. Angedeutet sind die Zuleitung 15, die Ableitung 17 und die Ventile 19 und 21.

[0035] Das flüssige Arbeitsmittels wird im Wesentlichen tangential in die Vorkammer 13 eingebracht und bewegt sich auf einer radial außen liegenden Kreisbahn. Der bei der Flash-Verdampfung entstehende Dampf wird aufgrund seiner geringeren Dicht in die Mitte der Vorkammer 13 gedrängt, so dass eine Trennung von flüssigem und dampfförmigem Arbeitsmedium in der Vorkammer 13 stattfindet. In der Mitte der Vorkammer 13 ist eine Verbindung 29 angeordnet, welche in den Arbeitsraum 11 mündet. Über die Verbindung 29 gelangt das dampfförmige Arbeitsmedium von der Vorkammer in den Arbeitsraum 11.

[0036] Wenn die Vorkammer 13 unterhalb der Verbindung 29 und unterhalb des in Figur 3 nicht dargestellten Arbeitsraum 11 angeordnet wird, unterstützt die Schwerkraft die Trennung von flüssiger und dampfförmiger Phase zusätzlich.

[0037] Damit der entstehende Dampf nicht an Oberflächen im Arbeitsraum kondensiert müssen die betroffenen Oberflächen von Kolben 3, Zylinder 5 und Vorkammer 13 beheizt und/oder wärmegedämmt ausgeführt sein. Damit keine Wärme von den beheizten Flächen an die flüssige Phase des Arbeitsmediums abgegeben wird, können zwei alternative Maßnahmen getroffen werden.

[0038] Die Vorkammer 13 ist geometrisch derart ausgebildet, dass sich die eingespritzte flüssige Phase des Arbeitsmediums stabil auf einer Kreisbahn bewegen kann. Die Vorkammer 13 wird in diesem Fall als Zyklon bezeichnet. Die auf der Kreisbahn auftretenden Zentrifugalkräfte sorgen dafür, dass der entstehende Dampf, auf den aufgrund geringerer Dichte geringe Zentrifugalkräfte wirken, in den Zylinderraum der Kolbendampfmaschine entweichen kann und das flüssige Wärmeträgermedium, auf das aufgrund der großen Dichte große Zentrifugalkräfte wirken, in der Kreisbahn verbleibt. Versuche haben gezeigt, dass man auf diese Weise während des Verdampfungsprozesses eine Phasentrennung erreicht.

[0039] Berechnungen haben gezeigt, dass die Drehgeschwindigkeit des flüssigen Arbeitsmediums trotz der Reibung der Flüssigkeit an der Wand der Vorkammer 13 auf einem Niveau bleibt, das zur Phasentrennung ausreicht und, dass der Wärmeaustausch des flüssigen Arbeitsmediums mit der Zyklonwand bei geeigneter Dimensionierung der Maschine und Beschichtung der Vorkammerwände nicht zu einer nennenswerten Beeinträchtigung des Prozesses führt.

[0040] Des Weiteren konnte in Versuchen nachgewiesen werden, dass die Phasentrennung gelingt: die flüssige Phase bleibt bei der Flashverdampfung im Zyklon, während die dampfförmige Phase in den Zylinderraum entweicht.

[0041] Außerdem konnte der Nachweis geführt werden, dass die Konvektion der flüssigen Phase mit der Wand der Vorkammer 13 nicht erheblich ist. Im Versuch liegt nach dem Flashprozess im wesentlichen die berechnete Menge flüssige Phase vor. Konvektion hat nicht zu einer wesentlichen zusätzlichen Verdampfung geführt.

[0042] Schließlich konnte in Versuchen gezeigt werden, dass der Flashprozess in der Vorkammer 13 bzw. im Arbeitsraum 11 mit sehr hoher Geschwindigkeit abläuft, was für die Ausführbarkeit der Maschine wichtig ist.

[0043] In Figur 4 ist eine weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel entfällt die Vorkammer 13 und das flüssige Arbeitsmedium wird direkt in den Arbeitsraum 11 eingespritzt. Dies kann mit Hilfe eines aus dem Stand der Technik bekannten Injektors geschehen.

[0044] Das Arbeitsmedium wird beim Einspritzvorgang in kleine Tropfen zerstäubt, ähnlich wie bei der Einspritzung von Diesel-Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Die Tropfen werden durch Reibung in der Gasphase in Schwebe gehalten. Auf diese Weise können die Tropfen die heißen Oberflächen nur in geringem Umfang berühren und der Wärmeaustausch zwischen flüssiger Phase und den heißen Oberflächen wird gering gehalten.

[0045] Mit der erfindungsgemäßen Kolbendampfmaschine kann bei einer vorhandenen Wärmequelle ca. die doppelte mechanische Leistung gewonnen werden im Vergleich zu gängigen Maschinen, in denen ein ORC oder ein Kalinaprozess verwirklicht sind. Außerdem kann im Vergleich zu ORC-Prozessen und Kalinaprozessen ein ungefährliches Arbeitsmittel, beispielsweise Wasser, verwendet werden.

Ansprüche

1. Kolbendampfmaschine mit mindestens einem Zylinder (5), wobei in dem mindestens einen Zylinder (5) ein Kolben (3) oszilliert, mit einem Arbeitsraum (11), wobei der Arbeitsraum (11) von dem Zylinder (5) und dem Kolben (3) begrenzt wird, mit mindestens einem Einlassventil (19), wobei das Arbeitsmedium durch das mindestens eine Einlassventil (19) in den Arbeitsraum (11) leitbar ist, mit mindestens einem Auslassventil (21), wobei die Kolbendampfmaschine dafür geeignet ist, dass das Arbeitsmedium in flüssiger Form mindestens mittelbar in den Arbeitsraum (11) eingebracht wird, wenn sich der Kolben (3) im Bereich eines Oberen Totpunkts (OT) oder im Arbeitstakt befindet, wobei die Kolbendampfmaschine dafür geeignet ist, dass das flüssige Arbeitsmedium über eine Zuleitung (15) zu dem Einlassventil (19) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorkammer (13) vorgesehen ist, dass der Arbeitsraum (11) und die Vorkammer (13) miteinander in Verbindung (29) stehen, dass die Kolbendampfmaschine weiter dafür geeignet ist, dass das Arbeitsmedium in flüssiger Form so in die Vorkammer (13) eingebracht wird, dass die flüssige Phase des Arbeitsmediums zum überwiegenden Teil in der Vorkammer (13) verbleibt, während die dampfförmige Phase des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum (11) strömt, und dass das Arbeitsmedium durch das mindestens eine Auslassventil (21) aus der Vorkammer (13) leitbar ist.

2. Kolbendampfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium im Wesentlichen tangential in die Vorkammer (13) eingebracht wird.

3. Kolbendampfmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (29) zwischen Arbeitsraum (11) und Vorkammer (13) im Zentrum der Vorkammer (13) in diese mündet.

4. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das mehrere Vorkammern (13.1, 13.2) an einem Zylinder (5) angeordnet sind, dass die Vorkammern (13.1, 13.2) mit dem Arbeitsraum (11) verbunden sind, und dass Arbeitsmedium mit unterschiedlicher Temperatur in Abhängigkeit des im Arbeitsraum (11) herrschenden Drucks und/oder der im Arbeitsraum (11) herrschenden Temperatur nacheinander in die Vorkammern (13.1 oder 13.2) oder in den Arbeitsraum (11) eingebracht wird.

5. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einlassventile (19.1, 19.2) je Zylinder (5) vorgesehen sind.

6. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus den verschiedenen Einlassventilen oder Injektoren (19.1, 19.2) eingespritzte flüssige Arbeitsmedium verschiedene Temperaturen aufweist, und dass das aus den verschiedenen Injektoren (19) eingespritzte flüssige Arbeitsmedium in der Reihenfolge vom wärmsten zum kältesten Arbeitsmedium eingespritzt wird, wobei das jeweils nächste Arbeitsmedium eingespritzt wird, wenn das bereits in der Vorkammer (13) oder dem Arbeitsraum (11) befindliche Arbeitsmedium die Temperatur des nächstkälteren Arbeitsmediums erreicht hat.

7. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Arbeitsmedium in den Arbeitsraum (11) oder in die mindestens eine Vorkammer (13) mit Hilfe eines Injektors (19) eingespritzt wird.

8. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Arbeitsmedium beim Einspritzvorgang in kleine Flüssigkeitstropfen zerstäubt wird.

9. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium Wasser, Methanol, Pentan und/oder R134a eingesetzt wird.

10. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (5), der Kolben (3) und/oder die mindestens eine Vorkammer (13) innen und/oder außen wärmegedämmt sind.

11. Kolbendampfmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bevorzugt die innere Wärmedämmung aus Teflon, Email und/oder Keramik besteht.

12. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der Zylinder (5), der Kolben (3) und/oder die mindestens eine Vorkammer (13) beheizbar sind.

13. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dampfventil (22) vorgesehen ist, und dass mittels des Dampfventils (22) das dampfförmige Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum abgeführt wird.

14. Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Auslassventile (21) und das Dampfventil (22) im Bereich des Oberen Totpunkts (OT) geschlossen werden, dass anschließend flüssiges Arbeitsmedium in die Vorkammer (13) oder den Arbeitsraum (11) eingebracht wird, und dass im Bereich des Unteren Totpunkts (UT) das oder die Auslassventile (21) geöffnet werden.

15. Verfahren zum Betreiben einer Kolbendampfmaschine mit mindestens einem Zylinder (5), mit mindestens einem Einlassventil (19) und mindestens einem Auslassventil (21), wobei in dem mindestens einen Zylinder (5) ein Kolben (3) oszilliert, mit einem Arbeitsraum (11) und mindestens einer Vorkammer (13), wobei der Arbeitsraum (11) von dem Zylinder (5) und dem Kolben (3) begrenzt wird, wobei der Arbeitsraum (11) und die Vorkammer (13) miteinander in Verbindung (29) stehen, und wobei mindestens ein Auslassventil (21) an der Vorkammer (13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (21) geschlossen wird, wenn sich der Kolben (3) im Bereich des Oberen Totpunkts befindet, dass flüssiges und erhitztes Arbeitsmedium in die mindestens eine Vorkammer (13) eingespritzt wird, nach dem Schließen des Auslassventils (21) und wenn sich der Kolben (3) im Bereich des Oberen Totpunkts oder im Arbeitstakt befindet, dass die flüssige Phase des Arbeitsmediums zum überwiegenden Teil in der Vorkammer (13) verbleibt, während die dampfförmige Phase des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum (11) strömt, und dass anschließend der Kolben (3) die verbliebene flüssige Phase und das dampfförmige gewordene Arbeitsmedium durch das mindestens eine Auslassventil (21) ausschiebt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Kolbendampfmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das mehrere Vorkammern (13.1, 13.2) an einem Zylinder (5) angeordnet sind, dass die Vorkammern (13.1, 13.2) mit dem Arbeitsraum (11) verbunden sind, und dass Arbeitsmedium mit unterschiedlicher Temperatur in Abhängigkeit des im Arbeitsraum (11) herrschenden Drucks und/oder der im Arbeitsraum (11) herrschenden Temperatur nacheinander in die Vorkammern (13.1 oder 13.2) oder in den Arbeitsraum (11) eingebracht wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass während des Arbeitstakts flüssiges Arbeitsmedium verschiedener Temperaturen in der Reihenfolge vom wärmsten zum kältesten Arbeitsmedium eingespritzt wird, und dass das jeweils nächste Arbeitsmedium eingespritzt wird, wenn das bereits in der Vorkammer (13) oder dem Arbeitsraum (11) befindliche Arbeitsmedium die Temperatur des nächstkälteren Arbeitsmediums erreicht hat.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auslassventil (21) geöffnet wird, wenn sich der Kolben (3) im Bereich des Unteren Totpunkts befindet.

Claims

1. Piston steam engine with at least one cylinder (5), wherein in the at least one cylinder (5) a piston (3) oscillates, with a working chamber (11), wherein the working chamber (11) is limited by the cylinder (5) and the piston (3), with at least one inlet valve (19), wherein the working medium can be conducted through the at least one inlet valve (19) into the working chamber (11), with at least one outlet valve (21), wherein the piston steam engine is adequate such that the working medium in liquid form is brought at least indirectly into the working chamber (11), when the piston (3) is in the region of a top dead center (TDC) or in the work cycle, wherein the piston steam engine is suitable such that the liquid working medium is conveyed via a feed line (15) to the inlet valve (19), characterized in that at least one prechamber (13) is provided, that the working chamber (11) and the prechamber (13) are connected to each other, that the piston steam engine furthermore is suitable such that the working medium in liquid form is introduced into the prechamber (13) such that the liquid phase of the working medium remains predominantly in the prechamber (13), while the vaporous phase of the working medium streams into the working chamber (11), and that the working medium can be conducted through the at least one outlet valve (21) from the prechamber (13).

2. Piston steam engine according to claim 1, characterized in that the working medium is introduced essentially tangentially into the prechamber (13).

3. Piston steam engine according to claim 1 or 2, characterized in that the connection (29) between the working chamber (11) and the prechamber (13) opens out in the center of the prechamber (13).

4. Piston steam engine according to one of the preceding claims, characterized in that several prechambers (13.1, 13.2) are arranged at a cylinder (5); that the prechambers (13.1,13.2) are connected to the working chamber (11); and that the working medium with different temperature depending on the pressure prevalent in the working chamber (11) and/or the temperature prevalent in the working chamber (11) is successively introduced into the prechambers (13.1 or 13.2) or into the working chamber (11).

5. Piston steam engine according to one of the preceding claims, characterized in that several inlet valves (19.1, 19.2) are provided per cylinder (5).

6. Piston steam engine according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid working medium injected out of the various inlet valves or injectors (19.1, 19.2) has different temperatures; and that the liquid working medium injected out of the various injectors (19) is injected in sequence from the warmest to the coldest working medium, wherein the respectively next working medium is injected when the working medium that is already in the prechamber (13) or the working chamber (11) has reached the temperature of the next coldest working medium.

7. Piston steam engine according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid working medium is injected into the working chamber (11) or into the at least one prechamber (13) by means of an injector (19).

8. Piston steam engine according to one of the preceding claims, characterized in that during the injection process, the liquid working medium is reduced to small droplets of liquid.

9. Piston steam engine as according to one of the preceding claims, characterized in that as working medium water, methanol, pentane, and/or R134a is used.

10. Piston steam engine according to one of the preceding claims, characterized in that the cylinder (5), the piston (3) and/or the at least one prechamber (13) are thermally insulated inside and/or outside.

11. Piston steam engine according to claim 11, characterized in that preferably the interior thermal insulation consists of Teflon, enamel, and/or ceramic.

12. Piston steam engine according to one of the preceding claims, characterized in that the cylinder (5), the piston (3) and/or the at least one prechamber (11) are heatable.

13. Piston steam engine according to one of the preceding claims, characterized in that a vapor valve (22) is provided; and that by means of the vapor valve (22) the vaporous working medium is discharged from the working chamber.

14. Piston steam engine according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet valve(s) (21) and the vapor valve (22) are closed in the area of the top dead center (TDC); that liquid working medium is subsequently introduced into the prechamber (13) or into the working chamber (11); and that in the area of the bottom dead centre (BDC) the outlet valve(s) is/are opened.

15. Method for operating a piston steam engine with at least one cylinder (5), with at least one inlet valve (19) and at least one outlet valve (21), wherein in the at least one cylinder (5) a piston (3) oscillates, with one working chamber (11) and at least one prechamber (13), wherein the working chamber (11) is limited by the cylinder (5) and the piston (3), wherein the working chamber (11) and the prechamber (13) are connected to each other (29), and wherein at least one outlet valve (21) is arranged at the prechamber (13), characterized in that the outlet valve (21) is closed when the piston (3) is in the area of the top dead centre (TDC), that liquid and heated working medium is injected into the at least one prechamber (13), after closing the outlet valve (21) and when the piston (3) is in the area of the top dead centre (TDC) or in the work cycle, that the liquid phase of the working medium predominantly remains in the prechamber (13), while the vaporous phase of the working medium streams into the working chamber (11), and that subsequently the piston (3) ejects the remaining liquid phase and the now vaporous working medium through the at least one outlet valve (21).

16. Method according to claim 15, characterized in a piston steam engine according to one of the preceding claims, characterized in that several prechambers (13.1, 13.2) are arranged at a cylinder (5), that the prechambers (13.1, 13.2) are connected with the working chamber (11) and that the working medium with different temperature depending on the pressure prevalent in the working chamber (11) and/or the temperature prevalent in the working chamber (11) is injected successively into the prechambers (13.1 or 13.2) or into the working chamber (11).

17. Method according to claim 15 or 16, characterized in that during the work cycle liquid working medium of various temperatures is injected in the sequence from the warmest to the coldest working medium, and that the respectively next working medium is injected, when the working medium already prevalent in the prechamber (13) or the working chamber (11) has reached the temperature of the next-coldest working medium.

18. Method according to one of the claims 15 to 17, characterized in that at least one outlet valve (21) is opened, when the piston (3) is in the area of the bottom dead center (BDC.)

Revendications

1. Machine à vapeur à piston comprenant au moins un cylindre (5), un piston (3) oscillant dans le ou les cylindres (5), une chambre de travail (11), la chambre de travail (11) étant délimitée par le cylindre (5) et par le piston (3), au moins une soupape d'admission (19), le milieu actif pouvant être guidé dans la chambre de travail (11) en passant par la ou les soupapes d'admission (19), au moins une soupape d'évacuation (21), la machine à vapeur à piston étant conçue pour que le milieu actif soit introduit sous forme liquide au moins indirectement dans la chambre de travail (11), lorsque le piston (3) se situe dans la zone d'un point mort haut (OT) ou au cours du cycle de travail, la machine à vapeur à piston étant conçue pour que le milieu actif liquide soit transporté vers la soupape d'admission (19) en passant par une conduite d'amenée (15), caractérisée en ce qu'au moins une préchambre (13) est prévue, en ce que la chambre de travail (11) et la préchambre (13) sont en liaison (29) l'une avec l'autre, en ce que la machine à vapeur à piston est conçue en outre pour que le milieu actif soit introduit sous forme liquide dans la préchambre (13), en ce que la phase liquide du milieu actif reste en grande partie dans la préchambre (13), s'écoule dans la chambre de travail (11) pendant la phase vapeur du milieu actif, et en ce que le milieu actif peut être guidé à l'extérieur de la préchambre (13) en passant par la ou les soupapes d'évacuation (21).

2. Machine à vapeur à piston selon la revendication 1, caractérisée en ce que le milieu actif est introduit de manière sensiblement tangentielle dans la préchambre (13) .

3. Machine à vapeur à piston selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la liaison (29) entre la chambre de travail (11) et la préchambre (13) débouche au centre de la préchambre (13) dans cette dernière.

4. Machine à vapeur à piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que plusieurs préchambres (13.1, 13.2) sont disposées sur un cylindre (5), en ce que les préchambres (13.1, 13.2) sont reliées à la chambre de travail (11), et en ce que le milieu actif est introduit successivement dans les préchambres (13.1 ou 13.2) ou dans la chambre de travail (11) à une température différente en fonction de la pression régnant dans la chambre de travail (11) et/ou de la température régnant dans la chambre de travail (11).

5. Machine à vapeur à piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que plusieurs soupapes d'admission (19.1, 19.2) sont prévues pour chaque cylindre (5).

6. Machine à vapeur à piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu actif liquide injecté des différentes soupapes d'admission ou des différents injecteurs (19.1, 19.2) présente des températures différentes, et en ce que le milieu actif liquide injecté des différents injecteurs (19) est injecté dans l'ordre suivant, à savoir du milieu actif le plus chaud au milieu actif le plus froid, chaque milieu actif suivant étant injecté lorsque le milieu actif déjà situé dans la préchambre (13) ou la chambre de travail (11) a atteint la température du milieu actif plus froid suivant.

7. Machine à vapeur à piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu actif liquide est injecté dans la chambre de travail (11) ou dans la ou les chambres de travail (13) à l'aide d'un injecteur (19).

8. Machine à vapeur à piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu actif liquide, lors de la procédure d'injection, est pulvérisé en petites gouttes de liquide.

9. Machine à vapeur à piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que de l'eau, du méthanol, du pentane et/ou du R134a est utilisé comme milieu actif.

10. Machine à vapeur à piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cylindre (5), le piston (3) et/ou la ou les préchambres (13) sont thermo-isolés à l'intérieur et/ou à l'extérieur.

11. Machine à vapeur à piston selon la revendication 11, caractérisée en ce l'isolation thermique intérieure est constituée de préférence de téflon, d'émail et/ou de céramique.

12. Machine à vapeur à piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le cylindre (5), le piston (3) et/ou la ou les préchambres (13) peuvent être chauffés.

13. Machine à vapeur à piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une soupape de vapeur (22) est prévue, et en ce que le milieu actif sous forme de vapeur est évacué de la chambre de travail au moyen de la soupape de vapeur (22).

14. Machine à vapeur à piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la ou les soupapes d'évacuation (21) et la soupape de vapeur (22) sont fermées dans la zone du point mort haut (OT), en ce que le milieu actif liquide est ensuite introduit dans la préchambre (13) ou la chambre de travail (11), et en ce que la ou les soupapes d'évacuation (21) sont ouvertes dans la zone du point mort bas (UT).

15. Procédé permettant de faire fonctionner une machine à vapeur à piston comprenant au moins un cylindre (5), au moins une soupape d'admission (19) et au moins une soupape d'évacuation (21), un piston (3) oscillant dans le ou les cylindres (5), une chambre de travail (11) et au moins une préchambre (13), la chambre de travail (11) étant délimitée par le cylindre (5) et par le piston (3), la chambre de travail (11) et la préchambre (13) étant en liaison (29) l'une avec l'autre, et au moins une soupape d'évacuation (21) étant disposée sur la préchambre (13), caractérisé en ce que la soupape d'évacuation (21) est fermée lorsque le piston (3) se situe dans la zone du point mort haut, en ce que le milieu actif liquide et chauffé est injecté dans la ou les préchambres (13), après la fermeture de la soupape d'évacuation (21) et lorsque le piston (3) se situe dans la zone du point mort haut ou au cours du cycle de travail, en ce que la phase liquide du milieu actif reste en majeure partie dans la préchambre (13), s'écoule dans la chambre de travail (11) pendant la phase vapeur du milieu actif, et en ce que le piston (3) évacue ensuite la phase liquide restante et le milieu actif se présentant désormais sous forme de vapeur par l'intermédiaire de la ou des soupapes d'évacuation (21) .

16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la machine à vapeur à piston selon l'une quelconque des revendications précédentes est caractérisée en ce que plusieurs préchambres (13.1, 13.2) sont disposées sur un cylindre (5), en ce que les préchambres (13.1, 13.2) sont reliées à la chambre de travail (11), et en ce que le milieu actif est introduit successivement dans les préchambres (13.1 ou 13.2) ou dans la chambre de travail (11) à une température différente en fonction de la pression régnant dans la chambre de travail (11) et/ou de la température régnant dans la chambre de travail (11).

17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que pendant le cycle de travail, un milieu actif liquide présentant différentes températures est injecté dans l'ordre suivant, du milieu actif le plus chaud au milieu actif le plus froid, et en ce que chaque milieu actif suivant est injecté lorsque le milieu actif déjà situé dans la préchambre (13) ou dans la chambre de travail (11) atteint la température du milieu actif plus froid suivant.

18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, caractérisé en ce qu'au moins une soupape d'évacuation (21) est ouverte lorsque le piston (3) se situe dans la zone du point mort bas.

Zeichnung