Die Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolbeneinheit, insbesondere für Dampfkraftmaschinen mit Expansion unter Wärmezufuhr gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Vorbekannt ist eine Dampfkraftmaschine mit Zylinder- Kolbeneinheit gemäß der Schrift DE-PS 828 988 mit Expansion unter Wärmezufuhr. Der Kolben weist einen nach seiner Innenseite isolierten Wärmekopf auf. Die Wärmezufuhr zum Zylinder-Kolbenelement erfolgt über Zylinderrippen mittels eines offenen Brenners im Hubbereich des isolierten Wärmekopfes und des Zylinderkopfes mit dem Verdichtungsraum. Die Dampferzeugung erfolgt direkt im beheizten Zylinder durch dosierte Wassereinspritzung. Den Auslaß für den expandierten Wasserdampf bilden durch den Kolben im Bereich des unteren Totpunktes freigegebene Schlitze.
Vorbekannt sind durch die Schrift DE 43 22 109 A1 Porenbrenner für eine im wesentlichen NOxfreie Verbrennung. Durch eine gestuft vom Brenngaseinlaß zum -auslaß von fein- nach grobporig variierte Schichtung von Teilen wird eine Stabilisierung und Temperaturbegrenzung im Verbrennungsablauf erzielt, womit eine schadstoffarme Verbrennung gesichert wird. Diese Brennerart weist eine hohe Leistungsdichte bezogen auf ihr Bauvolumen auf, wobei eine Anwendung als Warmwasser- oder Dampferzeuger beschrieben ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, der Zylinder-Kolbeneinheit der Dampfkraftmaschine mittels eines Porenbrenners unmittelbar Wärme am Zylinderkopf und Expansionsraum zuzuführen.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches und in den Nebenansprüchen genannten Merkmale gelöst. Mittels der vorgeschlagenen Bauart wird einerseits eine komplexe Wärmezuführung zum Arbeitsmedium für den gesamten Arbeitsraum sowie ein verlustarmer Wärmeübergang dorthin erreicht.
Porenbrenner funktionieren mit relativ niedrigen Brenntemperaturen und ermöglichen aufgrund ihrer Struktur eine Herstellung von Wärmebrücken unmittelbar zur Zylinder-Kolbeneinheit.
Das niedrige Brenntemperaturniveau eignet sich einerseits für eine Wärmeübertragung zum Arbeitsprozeß einer Dampfkraftmaschine mit einer Expansion unter Wärmezufuhr und gewährleistet andererseits eine schadstoffarme Verbrennung.
Die Merkmale der Unteransprüche werden im Zusammenhang mit ihrer Wirkung in der Beschreibung erläutert.
Anhand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Ausgestaltungen gemäß den Unteransprüchen beschrieben.
Es zeigt:
In Fig.1 ist eine Zylinder-Kolbeneinheit 1 mit einem Kolben 2 und Verdränger 3 sowie einer gesamtheitlichen Wärmezuführung zum Arbeitsmedium im gesamten Arbeitsraum 5 gezeigt. Hierzu wird ein spezielle Porenbrenner 50 mit der Brennstrecke A angewandt. Wärmeübergangsstrecken B und C umgeben den unteren Teil des Zylinderkopfes 43 und den Zylinder 1 im Hubbereich 41 des Verdrängers 3. Der Führungskolben 2 trägt Dichtringe 21 sowie einen wärmeisoliert befestigten Verdränger 3. Er ist über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden - nicht dargestellt - und wird in der Zylinderbohrung 4 in einem warmen und kalten Zylinderabschnitt 41; 46 geführt.
Der Verdränger 3 weist vorzugsweise eine Absorptions- oder Reflexionsoberfläche 31 auf, hinter der vorzugsweise eine Wärmespeicherschicht 32 und Isolierschicht 33 liegt. Mit diesen vorbeschriebenen Ausgestaltungsmerkmalen des Verdrängers 3 wird einerseits eine Speicherung von Wärme oder andererseits eine Reflexion von Wärme zur Aufheizung der Ladung zwischen Verdränger 3 und der Innenfläche des Zylinderabschnittes 41 erzielt. Diese Gestaltung sichert eine korrektive Übertragung von Wärme mit hohem Wirkungsgrad durch die Strömung im Zylinderraum und die warmen Wände des Zylinderabschnittes 41 und des Zylinderkopfes 43.
Am Zylindermantel 42 sind im Zylinderabschnitt 41 des Verdrängers 3 oder zusätzlich am Zylinderkopf 43 radiale Rippen 44 oder/und zueinander versetzte nadel- oder stegförmige, radiale Ansätze angeordnet. Zwischen deren nach außen geschlossenen Sektoren werden Wärmeübergangsstrecken B und C des Porenbrenners 50 gebildet. Zylindermantel 42 und Zylinderkopf 43 können in der vorbeschriebenen Gestaltung als Guß- oder Sinterteile ausgeführt sein und/oder eine Beschichtung zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche aufweisen.
Der Verdränger 3 ist in seinem Hubbereich mit Spiel parallel zum umgebenden wannen Zylinderabschnitt 41 geführt und weist einen sich zum Zylinderkopf 43 verkleinernden Querschnitt auf. Für einen optimalen Wärmeübergang an das Arbeitsmedium, das sich im Arbeitsraum 5 und im Spalt zwischen warmem Zylinderabschnitt 41, Zylinderkopf 43 und Verdränger 3 befindet, können die zueinander komplementären Oberflächen polygonartig ausgeführt sein. Diesem Bereich ist die heißeste Wärmeübergangsstrecke B zugeordnet.
Bei der von außen beheizten Zylinderbohrung 4 ist der warme Zylinderabschnitt 41 im Hubbereich des Verdrängers 3 und der Zylinderkopf 43 vorteilhaft als Strahler ausgebildet, dessen Strahlung im Bereich des Absorptionsspektrums des Arbeitsmediums liegt.
Dem Zylinderkopf 43 ist der Porenbrenner 50 zugeordnet. Er erstreckt sich über einen Teil des Zylinderkopfs 43 ringförmig.
Zweckmäßig sind Wärmeübergangsstrecken B und C des Porenbrenners 50 und der Dampferzeuger 6 außen von einer Isolierschicht 51 umgeben.
Die Außenseite der Wärmeübergangsstrecken C am Zylindermantel 42 ist von einem Dampferzeuger 6 oder Vorwärmer umschlossen. Aus dem Dampferzeuger 6 umgebenden Raum erfolgt die Abführung der Brenngase des Porenbrenners 50.
Vorteilhaft sind Rohrkanäle 7 einer Überhitzerstufe zwischen den Wärmeübertragungsstrecken B und C und/oder im Zylindermantel 42, vorzugsweise in dessen radialen, zur Achse des Zylindermantels 42 parallel verlaufenden Rippen 44, geführt angeordnet.
Im kalten Zylinderabschnitt 46 am Ende des Hubbereiches des Führungskolbens 2 mündet der Auslaßkanal 11 mit Fenstern, die von den Dichtringen 21 des Führungskolbens 2 überlaufen werden.