WO2009112145A2 - Kolbendampfmaschine für einen solar betriebenen rankine-kreislauf - Google Patents

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03GSPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/003Devices for producing mechanical power from solar energy having a Rankine cycle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the inventor describes a cosuction in which the auxiliary drive (35) of the rotary valve (37) takes place via a toothed belt (42) or comparable machine elements.
  • This drive usually generates unwanted friction due to the movement of the toothed belt and the bearings of the rotary valve.
  • the rotary valve extends in its length over all four cylinders and must therefore be made very precisely in concentricity and alignment, also requires the sealing of the rotary valve to the individual control slots (52 to 55) and control cutouts (56 to 59) either shaft seals or exact fits of the housing which also cause friction.
  • this construction avoids the usual expense of shaft seals for the crankshaft and the sealing of the piston against the cylinder wall.
  • the inventor describes in the above document a chiller which is driven by a steam engine (5).
  • This steam engine is supplied with a vaporized working fluid which can be heated by thermal solar energy.
  • the invention has the advantage that the drive, so the steam engine (5), and the piston compressor (27) are located in a common housing and therefore no shaft seals or drive shafts are required to the outside.
  • the inventor merely schematically illustrates the valve timing for the inlet (21) and outlet (23).
  • the very control of these valves requires particular attention in machines of this type.
  • a steam engine with only one cylinder can not start with a purely mechanical valve control from standstill, as in unfavorable case, the piston may be at bottom dead center and can not leave this position by the application of pressure.
  • the condensed working fluid can be displaced. So it is conceivable the need for a starting device in such a construction.
  • the inventor describes a piston steam engine with advantages in the improvement of the efficiency by a special injection technique. In order to start a construction of this kind from the cold state, the inventor mentions the necessity of heating and isolating the machine.
  • the design needs exactly defined operating conditions to the desired
  • auxiliary equipment such as circulating pumps for the heating medium would be necessary which in turn require a certain amount of drive energy.
  • the suitable working fluid which is to be evaporated in the circuit and condensed must comply with the legal requirements for the protection of the ozone layer.
  • the working fluid should be able to be evaporated directly in the solar panels without further heat exchangers. On mechanical and electrical control devices should be able to do without. If the machine comes to a standstill due to a lack of energy supply, the condensate produced by the cooling process should be able to be easily displaced throughout the system in the event of subsequent heating.
  • the lubrication of all components should be done by a lubricant which is added to the working fluid. Solution of the task
  • a piston steam engine which has three or more pistons and whose valve control is designed in the form of a rotary valve control.
  • the rotary valve control is a direct part of the crankshaft without additional components such as camshafts or mechanically operated control valves.
  • the piston machine can also be set in motion with liquid working fluid and starts automatically even when cold. This possibility of self-starting is not given in known reciprocating engines or turbines, previously must be guaranteed to start the system by manual or automatic control units that only vaporous working fluid flows to the machine. Liquids, even to a small extent lead in the known machines to block and the dreaded "water hammer" which can destroy the machine in extreme cases. Only when the known machines have reached the appropriate operating temperature, they can be fully acted upon.
  • FIG 1 shows schematically a conventional ORC cycle which receives its heat energy via solar panels.
  • a suitable working medium such as pentane, refrigerant R 365 or R 154 is supplied with a condensate pump (19) via the line (22) one or more solar panels (20).
  • the appropriate working media have expediently at atmospheric pressure a boiling point between 0 0 C and 50 0 C.
  • the solar panels evaporates the working fluid and is available with temperatures of about 100 0 C and pressures between 3 bar and 10 bar.
  • the steam flows via the line (23) of the piston engine (1). After the steam has been used to generate mechanical energy, it flows from the piston steam engine via the line (24) to a condenser (21) and is liquefied there by giving heat energy to the environment.
  • the condensing temperatures are around 35 ° C to 45 ° C.
  • the condensed steam flows as liquid working fluid via the line (25) back to the condensate pump (19), the circuit is closed.
  • a liquid lubricant such as mineral oil, glycol oil or silicone oil may be present, or in addition a powdered lubricant such as Molybdändisutfid or Teflon correspond to the prior art.
  • heat recovery via heat exchangers are common in such circuits, but are not mentioned to simplify this description.
  • safety devices such as pressure relief valves, filter drier or condensate collector.
  • FIG. 2 shows a piston steam engine (1) with 3 cylinders (2), (3), (4) in which the pistons (5), (6), (7) move up and down.
  • the pistons are connected by connecting rods (8) to the crankshaft (9).
  • Openings in the crankshaft alternately connect the cylinders via intake ports
  • the outlet (12) is connected to the cylinder (2).
  • the piston (5) moves upwards.
  • the cylinder (3) is connected neither to the inlet nor to the outlet and is currently in top dead center. By the movement of the piston becomes the
  • Each cylinder is turned once with the inlet and once with the
  • crankshaft (9) which simultaneously serves as a rotary valve control.
  • crankpin (14) which has through holes in the form of holes the function of a roller rotary valve, without additional mechanical components for valve control are necessary.
  • This crank pin (14) is used in Figure 2 for Austrawung, a crank pin (15) in mirror-inverted configuration, otherwise identical, at the other end of the crankshaft is used in Figure 2 according to the intake control.
  • the diagram in Figure 4 illustrates the timing of the individual cylinders. It is represented as a diagram of a full turn of the crankshaft corresponding to 360 °.
  • the sinusoidal curves show in what ratio the individual cylinders (2), (3), (4) are connected to the inlet or outlet. It can be seen that always at least one cylinder is connected to the inlet and at the same time another cylinder is connected to the outlet.
  • a rotary valve control By means of a rotary valve control, at least one cylinder of the piston steam engine is supplied with steam via the inlet, while at the same time at least one other cylinder has a connection to the condenser via the outlet. Only when a piston is at the top or bottom dead center, there is no connection to the inlet or to the outlet. Since the rotary valve control is performed by recesses or holes in the crankshaft, the components are reduced to a minimum for tax purposes in the piston steam engine. It is expected that in unregulated operation, first the working fluid in the collectors evaporates and then flows to the piston engine. The piston engine is initially cold in this operating condition and therefore partially filled with condensed working fluid.

Abstract

Kolbendampfmaschine (1) mit mindestens drei Zylindern (2, 3, 4), geeignet als Wärmekraftmaschine in einem solar beheizten Rankine-Kreislauf. Die Ventilsteuerung der Kolbendampfmaschine ist ausgeführt als Drehschieber, welcher direkter Bestandteil der Kurbelwelle (9) ist.

Description

Titel: Kolbendampfmaschine für einen solar betriebenen Rankine - Kreislauf
Beschreibung
Stand der Technik:
In den letzten zehn Jahren wurde vermehrt an Möglichkeiten zur Erzeugung von mechanischer Energie aus Wärme gearbeitet. Einem seit langer Zeit bekannten Verfahren, dem Rankine-Kreislauf, auch ORC genannt, wurde einige Beachtung zuteil. Das Verfahren ähnelt dem klassischen Dampfkreislauf indem eine Dampfmaschine oder eine Dampfturbine arbeitet. Beim diesem Rankine Kreislauf wird anstelle von Wasser ein organisches Arbeitsmittel, beispielsweise Silikonöl oder fluorierte Kohlenwasserstoffe verwendet. Da diese Stoffe niedrigere Siedetemperaturen als Wasser aufweisen, können in ORC-Anlagen Wärmekraftmaschinen auch mit Temperaturen unter 100 0C betrieben werden. Geothermische Kraftwerke wurden bereits in diesem Temperaturbereich ausgeführt. Auch Kraft-Wärme-Kopplungen mit organischen Brennstoffen wie Holzabfällen wurden verwirklicht. Der Wirkungsgrad von Kraftwerken mit ORC- Technologie liegt bei weniger als 15 % und damit insgesamt niedriger als beim Einsatz von konventionellen, mit Wasserdampf betriebenen Anlagen. Für spezifische Leistungsbereiche, Betriebsarten und Auslastungsszenarien ergeben sich dennoch wirtschaftliche sinnvolle und energetisch effiziente Einsatzmöglichkeiten. Handelsüblich sind allerdings Anlagen im Leistungsbereich von 500 kW bis 1 MW, kleinere Anlagen wurden nur im experimentellen Stadium verwirklicht denn der apparative Aufwand lohnt sich bisher nicht. Darlegung des Standes der Technik
1. Beispiel Druckschrift DE 32 01 386 A1 i . i Der Erfinder beschreibt in der oben genannten Druckschrift einen Dampfmotor mit vier Zylindern bei welchem die Ein- und Auslasssteuerung der einzelnen Zylinder durch eine obenliegende Welle erfolgt. Die Konstruktion erinnert an einen Vierzylinder- Verbrennungsmotor mit obenliegender Nockenwelle. Der Dampfmotor ist geeignet zum Betrieb mit Kältemitteln und ähnlichen leicht flüchtigen Flüssigkeiten.
Diese Flüssigkeiten können aufgrund Ihres niedrigen Siedepunktes mir Solarenergie zur Verdampfung gebracht werden und den Dampfmotor antreiben.
1.2 Kritik am Stand der Technik
Da beim Einsatz von Dampfmotoren in Verbindung mit solar erzeugter Wärmeenergie in besonderem Maße auf den Wirkungsgrad geachtet werden muß, ist der Aufwand an bewegten Teilen und der damit verbundenen Reibung und Lagerung so gering wie möglich zu halten. Der Erfinder beschreibt eine Kosntruktion bei welcher der Nebenantrieb (35) des Drehschiebers (37) über einen Zahnriemen (42) oder vergleichbaren Maschinenelementen erfolgt. Dieser Antrieb erzeugt durch die Bewegung des Zahnriemens und der Lagerungen des Drehschiebers üblicherweise unerwünschte Reibung . Der Drehschieber erstreckt sich in seiner Länge über alle vier Zylinder und muß daher besonders präzise in Rundlauf und Fluchtung gefertigt werden, ausserdem erfordert die Abdichtung des Drehschiebers zu den einzelnen Steuerschlitze (52 bis 55) und Steuerausschnitte (56 bis 59) entweder Wellendichtringe oder exakte Passungen des Gehäuses welche ebenfalls Reibung verursachen.
Um den Drehschieber und den Nebenantrieb montieren zu können ist ein gewisser Aufwand an Deckeln erforderlich welche wiederum abgedichtet werden müssen. Beispiel Druckschrift 26 03 249 A1
2.1 der Erfinder beschreibt in der oben genannten Druckschrift einen Dampfmotor bei dem die Expansionräume durch Faltenbalganordnungen (2-5) gebildet sind und eine Drehschieberanordnung (1) durch einen Zahnriemen (37) angetrieben wird.
Durch die Verwendung der hermetisch dichten Faltenbälge umgeht diese Konstruktion den sonst üblichen Aufwand von Wellendichtringen für die Kurbelwelle sowie die Abdichtung der Kolben gegen die Zylinderwand.
2.2 Kritik am Stand der Technik:
Konstruktionen mit Faltenbälgen als Alternative zu Zylindern mit zugehörigen Kolben sind in der Technik bekannt, allerdings ist deren Hub dadurch begrenzt, daß die
Faltenbälge keine Seitenkräfte aufnehmen können welche aus der Schrägstellung der
Pleuel resultieren. Lange Faltenbälge neigen also ohne Seitenführung zum Ausknicken.
Weiterhin:
Bei konventionellen Kolbenmaschinen spricht man in der Endstellung des Kolbens vom sogenannten oberen und unteren Totpunkt.
In der Stellung des oberen Totpunktes gilt es üblicherweise den verbleibenden leeren
Raum im Zylinder so klein wie möglich zu halten, man spricht auch vom schädlichen
Raum.
Da sich Faltenbälge aus Metall nur zu einem gewissen Teil zusammenstauchen lassen ist bei diesen Konstruktionen der schädliche Raum besonders groß , welches sich gerade bei Expansionsmaschinen mit geringen Arbeitsrücken als nachteilig auswirken kann.
eispiel Druckschrift DE 102005 053 589 A1
3.1 Der Erfinder beschreibt in der oben genannten Druckschrift eine Kältemaschine welche durch eine Dampfmaschine (5) angetrieben wird. Diese Dampfmaschine wird mit einem verdampften Arbeitsmittel beaufschlagt welches durch thermische Solarenergie erhitzt werden kann. Die Erfindung bietet den Vorteil daß der Antrieb, also die Dampfmaschine (5), und der Kolbenverdichter (27) sich in einem gemeinsamen Gehäuse befinden und daher keine Wellendichtringe oder Antriebswellen nach aussen benötigt werden.
3.2 Kritik am Stand der Technik:
Der Erfinder stellt die Ventilsteuerung für den Einlaß (21) und Auslaß (23) lediglich schematisch dar. Gerade die Steuerung dieser Ventile erfordert jedoch bei Maschinen dieser Art eine besondere Aufmerksamkeit. Eine Dampfmaschine mit lediglich einem Zylinder kann mit einer rein mechanischen Ventilsteuerung aus dem Stillstand nicht anlaufen, da sich im ungünstigen Fall der Kolben im unteren Totpunkt befinden kann und durch die Beaufschlagung mit Druck diese Position nicht verlassen kann. Ausserdem ist nicht gewährleistet daß das kondensierte Arbeitsmittel verdrängt werden kann. Es ist also die Notwendigkeit einer Anlaßvorrichtung bei einer derartigen Konstruktion denkbar.
Beispiel Druckschrift WO 2007 / 115769
4.1 Der Erfinder beschreibt eine Kolbendampfmaschine mit Vorteilen in der Verbesserung des Wirkungsgrades durch eine besondere Einspritztechnik . Um eine Konstruktion dieser Art aus dem kalten Zustand in Bewegung zu bringen erwähnt der Erfinder die Notwendigkeit der Beheizung und Isolierung der Maschine.
4.2. Kritik am Stand der Technik:
Die Konstruktion benötigt genau definierte Betriebszustände um den gewünschten
„Flaslf-Effekt zu realisieren.
Will man hier einen Betrieb mit solar erzeugter Wärme ermöglichen so wäre dafür zu sorgen daß die gesamte Konstruktion vor dem Start auf die erforderliche Temperatur gebracht wird da sonst das eingespritze Medium im kalten Motor nicht zur
Verdampfung kommt und somit der Motor nicht anläuft.
Dazu wären Nebenaggregate wie Umwälzpumpen für das Heizmedium notwendig welche wiederum einen gewissen Aufwand an Antriebsenergie erfordern.
Ausserdem ist es für einen sicheren Betrieb nowendig daß konstante Bedingungen hinsichtlich der zugeführten thermischen Energie herrschen, was einen Speicher für die Wärmeenergie notwendig machen würde.
Aufgabenstellung
Es liegt nahe daß auch solarthermische Energie zum Betrieb in ORC-Anlagen genutzt werden kann, jedoch ergeben sich bei dem Einsatz von Sonnenkollektoren als Energielieferant einige Probleme welche zu beachten sind: Je nach Sonneneinstrahlung, Tages- oder Jahreszeit steht entsprechend unterschiedliche Wärmeenergie zur Verfügung an welche sich die Anlage anpassen muß. Wenn man ohne Speicherung für die Wärmeenergie auskommen will, sind starke Schwankungen bis hin zum zeitweiligen Stillstand der Anlage hinzunehmen. Die im weiteren Text beschriebene Erfindung soll eine Maschine mit den geeigneten Nebenaggregaten vorstellen welche speziell für diesen schwankenden Betrieb ausgelegt ist und zudem in kleinen Baugrößen von wenigen kW konstruktiv ausgeführt werden kann. Die Maschine soll selbstätig anlaufen und in einem weiten Bereich mit unterschiedlicher Drehzahl und unterschiedlicher Leistung laufen können. Die verwendeten Bauteile sollen aus handelsübliche Werkstoffen gefertigt werden können. Das geeignete Arbeitsmittel welches im Kreislauf verdampft und Kondensiert werden soll muß den gesetzlichen Vorgaben zum Schutz der Ozonschicht entsprechen. Das Arbeitsmittel soll direkt in den Sonnenkollektoren ohne weitere Wärmetauscher verdampft werden können. Auf mechanische und elektrische Regeleinrichtungen soll verzichtet werden können. Kommt die Maschine durch mangelnde Energizufuhr zum Stillstand so soll das durch die Abkühlung entstehende Kondensat im ganzen System bei einer folgenden Erwärmung problemlos verdrängt werden können. Die Schmierung sämtlicher Bauteile soll durch ein Schmiermittel erfolgen welches dem Arbeitsmittel zugemischt wird. Lösung der Aufgabe
Es wird eine Kolbendampfmaschine vorgestellt welche drei oder mehr Kolben besitzt und deren Ventilsteuerung in Form einer Drehschiebersteuerung ausgeführt ist. Die Drehschiebersteuerung ist direkter Bestandteil der Kurbelwelle ohne zusätzliche Bauelemente wie Nockenwellen oder mechanisch betätigter Steuerventile. Die Kolbenmaschine kann auch mit flüssigem Arbeitsmittel in Bewegung gesetzt werden und läuft selbstätig auch aus kaltem Zustand an. Diese Möglichkeit des selbstätigen Anfahrens ist bei bekannten Kolbenmaschinen oder Turbinen nicht gegeben, bisher muß zum Starten des Systems durch manuelle oder automatische Regeleinheiten gewährleistet werden daß nur dampfförmiges Arbeitmittel der Maschine zuströmt. Flüssigkeiten, auch nur in geringem Umfang führen bei den bekannten Maschinen zum Blockieren und dem gefürchteten „ Wasserschlag „ welcher im Extremfall die Maschine zerstören kann. Erst wenn die bekannten Maschinen die entsprechende Betriebstemperatur erreicht haben, können sie vollständigt beaufschlagt werden. Diese Eigenschaft verhindert bisher den unkontrollierten Betrieb mit Sonnenkollektoren. Jede Wolke würde die bekannten Systeme zum Stillstand bringen. Kleinere Systeme welche billig produziert werden sollen würden demnach durch den notwendigen Steuer- und Regelungsaufwand unwirtschaftlich werden. Die Eigenschaft der hier beschriebenen Erfindung ermöglicht eine kostengünstige Konstruktion und problemlosen Betrieb einer Wärmekraftmaschine. Es ist jedoch darauf zu achten daß die Bauteile welche durch die Kolbendampfmaschine angetrieben werden sollen, genauso Drehzahlschwankungen verkraften Können. Das ist möglich durch angepaßte Elektrogeneratoren, Ventilatoren und Pumpen. Ausführungsbeispiele sind hier gegeben durch Entwicklungen in der Windkraft wo ähnliche wechselnde Betriebszustände herrschen. Funktionsweise
Figur 1 zeigt schematisch einen üblichen ORC-Kreislauf welcher seine Wärmeenergie über Sonnenkollektoren erhält. Ein geeignetes Arbeitsmittel wie beispielsweise Pentan, Kältemittel R 365 oder R 154, wird mit einer Kondensatpumpe ( 19 ) über die Leitung ( 22 ) einem oder mehreren Sonnenkollektoren( 20) zugeführt. Die geeigneten Arbeitsmedien haben zweckmäßigerweise bei atmosphärischem Druck einen Siedepunkt zwischen 00C und 500C. In den Sonnenkollektoren verdampft das Arbeitsmittel und steht mit Temperaturen von ca 1000C und Drücken zwischen 3 bar und 10 bar zur Verfügung. Direkt aus den Sonnenkollektoren strömt der Dampf über die Leitung ( 23 ) der Kolbenmaschine ( 1 ) zu. Nachdem der Dampf zur Erzeugung von mechanischer Energie eingesetzt wurde strömt er aus der Kolbendampfmaschine über die Leitung ( 24 ) zu einem Kondensator ( 21 ) und wird dort verflüssigt indem er Wärmeenergie an die Umgebung abgibt. Die Verflüssigungstemperaturen Hegen bei ca 35°C bis 45°C . Der kondensierte Dampf fließt als flüssiges Arbeitsmittel über die Leitung ( 25 ) wieder der Kondensatpumpe ( 19 ) zu, der Kreislauf ist damit geschlossen. Zur Schmierung der Kolbendampfmaschine kann dem Arbeitsmittel ein flüssiges Schmiermittel wie Mineralöl, Glykolöl oder Silikonöl zugegen werden , oder auch zusätzlich ein pulverisiertes Schmiermittel wie Molybdändisutfid oder Teflon entsprechen dem Stand der Technik. Es sind bei solchen Kreisläufen einige Arten der Wärmerückgewinnung über Wärmetauscher üblich, sollen aber zur Vereinfachung dieser Beschreibung nicht näher erwähnt werden. Ebenso die in Dampfkreisläufen üblichen Sicheheitseinrichtungen wie Überdruckventile, Filtertrockner oder Kondensatsammler. Ausführunαsbeispiel
Figur 2 zeigt eine Kolbendampfmaschine ( 1 ) mit 3 Zylindern ( 2 ), ( 3 ), ( 4 ) in denen sich die Kolben ( 5 ), ( 6 ), ( 7 ) auf und ab bewegen.
Die Kolben sind durch Pleuelstangen ( 8 ) verbunden mit der Kurbelwelle ( 9 ).
Öffnungen in der Kurbelwelle verbinden abwechselnd die Zylinder über Einlaß-Kanäle
(31), (32), (33) mit dem Einlaß ( 11 ) und über Auslaß-Kanäle (34),(35),(36) mit dem
Auslaß ( 12 ).
Bei der dargestellten Stellung der Kurbelwelle (9) ist der Einlaß ( 11 ) und der Zylinder
( 4 ) miteinander verbunden. Der Kolben ( 7 ) bewegt sich deshalb abwärts.
Der Auslaß ( 12 ) ist verbunden mit dem Zylinder ( 2 ). Der Kolben ( 5 )bewegt sich aufwärts. Der Zylinder ( 3 ) ist weder mit dem Einlaß noch mit dem Auslaß verbunden und befindet sich momentan im oberen Totpunkt. Durch die Bewegung der Kolben wird die
Kurbelwelle ( 9 ) in Drehung versetzt und die darin eingearbeiteten Öffnungen ( 10 ) und
( 13 ) verbinden dadurch entsprechend die Zylinder im Wechsel mit Einlaß und Auslaß.
Jeder Zylinder wird bei einer Umdrehung einmal mit dem Einlaß und einmal mit dem
Auslaß verbunden. Es ergibt sich daraus die Notwendigkeit daß mindestens drei Zylinder vorhanden sind, auch vier oder fünf Zylinder sind denkbar.
Anfallendes Kondensat und Schmiermittel werden über eine zusätzliche Öffnung ( 16 ) im
Kurbelgehäuse ( 17 ) über die Leitung ( 18 ) in den Arbeitsmittelkreislauf zurückgeführt, zweckmäßigerweise zwischen dem Kondensato (21) und der Kondensatpumpe (19). Eine besondere Bedeutung hat bei der hier beschriebenen Kolbendampfmaschine die Ausgestaltung der Kurbelwelle ( 9 ) welche gleichzeitig als Drehschiebersteuerung dient. In Figur 3 dargestellt ist ein Ausführungsbeispiel des Kurbelzapfens ( 14 ) welcher durch Öffnungen in Form von Bohrungen die Funktion eines Walzendrehschiebers besitzt, ohne daß zusätzliche mechanische Bauteile für eine Ventilsteuerung notwendig werden. Dieser Kurbelzapfen (14) dient in Figur 2 zur Austaßsteuerung, ein Kurbelzapfen (15) in spiegelverkehrter Ausgestaltung, sonst baugleich, am anderen Ende der Kurbelwelle dient in Figur 2 entsprechend der Einlaßsteuerung.
Durch die Drehung der Kurbelwelle wird spätestens nach einem Kurbelwinkel von 120° ein anderer Zylinder mit dem Einlaß und ein anderer Zylinder mit dem Auslaß verbunden. Durch diese Konstellation von Ein- und Auslaß ist gewährleistet daß die Kolbendampfmaschine aus jeder beliebigen Kurbelwellenstellung anläuft und flüssiges Kondensat verdrängt wird.
Das Diagramm in Figur 4 verdeutlicht die Steuerzeiten der einzelnen Zylinder. Es ist dargestellt als Diagramm eine volle Umdrehung der Kurbelwelle entsprechend 360°. Die Sinusförmigen Kurven zeigen in welchem Verhältnis die einzelnen Zylinder ( 2 ) , ( 3 ), ( 4 ) mit dem Einlaß oder Auslaß verbunden sind. Es ist erkennbar daß immer mindestens ein Zylinder mit dem Einlaß und gleichzeitig ein anderer Zylinder mit dem Auslaß verbunden ist.
Vorteile der Erfindung
Durch eine Drehschiebersteuerung wird mindestens ein Zylinder der Kolbendampfmaschine über den Einlaß mit Dampf beaufschlagt, während gleichzeitig mindestens ein anderer Zylinder über den Auslaß eine Verbindung zum Kondensator besitzt. Nur wenn sich ein Kolben im oberen oder unteren Totpunkt befindet, besteht weder Verbindung zum Einlaß noch zum Auslaß . Da die Drehschiebersteuerung durch Aussparungen oder Bohrungen in der Kurbelwelle ausgeführt wird, werden zu Steuerzwecken in der Kolbendampfmaschine die Bauteile auf ein Minimum reduziert. Es ist zu erwarten daß bei ungeregeltem Betrieb zuerst das Arbeitsmittel in den Kollektoren verdampft und dann der Kolbenmaschine zuströmt. Die Kolbenmaschine ist bei diesem Betriebszustand zunächst kalt und deshalb teilweise mit kondensiertem Arbeitsmittel gefüllt. Über die Drehschiebersteuerung wird das flüssige Arbeitsmittel aus der Kolbendampfmaschine verdrängt und diese wird auf Betriebstemperatur gebracht. Die Kolbendampfmaschine kommt dabei langsam in Bewegung. Es erübrigt sich bei dieser Art der Kolbenmaschine eine Steuerung oder Regelung welche sicherstellt daß nur dampfförmiges Arbeitsmittel der Kolbenmaschine zuströmt. Die Maschine und der gesamte Kreislauf wird dadurch sehr einfach. Es erübrigt sich dadurch auch die sonst übliche Steuerung oder Regelung der Kondensatpumpe welche hinsichtlich ihrer Förderleistung den Betriebszuständen exakt angepasst werden muß.
Es ist deshalb denkbar daß beim Einsatz einer elektrischen Kondensatpumpe die notwendige Spannung und der elektrische Strom über photovottaische Solarzellen bereitgestellt wird. Durch eine angepasste Größe dieser Solarzellen wird dann proportional zur eingestrahlten Energie eine entsprechende Menge von elektrischer Energie bereitgestellt welche die Kondensatpumpe in der Fördemenge beeinflußt. Bei mehr Sonneneinstrahlung fördert die Kondensatpumpe dann entsprechend mehr.

Claims

14Ansprüche:
1. Kolbendampfmaschine ( 1 ), bei der die Antriebsenergie aus solar erzeugtem Dampf gewonnen wird, bestehend aus mindestens 3 Zylindern ( 2 ), ( 3 ) , ( 4 ) mit zugehörigen Kolben ( 5 ) , ( 6 ), ( 7 ) und einer Kurbelwelle ( 9 ) , dadurch gekennzeichnet daß die Kurbelwelle ( 9 ) eingearbeitete Aussparungen oder Öffnungen als Drehschiebersteuerung aufweist, die zur Verbindung der einzelnen Zylinder mit einem Einlaß (11) oder einem Auslaß (12) für ein Arbeitsmittel eines Arbeitsmittelkreislaufes dient.
2. Kolbendampfmaschine nach Anspruch 1 daß eine Überflutung mit kondensiertem Arbeitsmittel zulässig ist.
3. Kolbendampfmaschine nach Anspruch 1 daß sowohl anfallendes Kondensat des Arbeitsmittels als auch Schmiermittel über eine Öffnung (16) im Kurbelgehäuse (17) wieder in den Arbeitsmittelkreislauf zurückgeführt wird.
4. Kolbendampfmaschine nach Anspruch 1 daß das Schmiermittel dem Arbeitsmittel zugemischt wird.
5. Kolbendampfmaschine nach Anspruch 1 daß das Arbeitsmittel aus Pentan, R 365 oder R 154 besteht.
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