DE102008013673B3

DE102008013673B3 - Piston steam engine for a solar powered Rankine cycle

Info

Publication number: DE102008013673B3
Application number: DE102008013673A
Authority: DE
Inventors: Richard Engelmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Ritter Energie und Umwelttechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2028-03-12
Also published as: WO2009112145A2; WO2009112145A3; WO2009112145A9

Abstract

Kolbendampfmaschine mit mindestens drei Zylindern, geeignet als Wärmekraftmaschine in einem solar beheizten Rankine-Kreislauf. Die Ventilsteuerung der Kolbendampfmaschine ist ausgeführt als Drehschieber, welcher direkter Bestandteil der Kurbelwelle ist.Piston steam engine with at least three cylinders, suitable as a heat engine in a solar heated Rankine cycle. The valve control of the piston steam engine is designed as a rotary valve, which is a direct part of the crankshaft.

Description

Stand der Technik:State of the art:

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°C 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.In Over the past decade, more and more opportunities have been created to produce mechanical energy from heat worked. A long-known method, the Rankine cycle, too ORC has received some attention. The procedure is similar to the classic steam cycle by a steam engine or a steam turbine is working. In this Rankine cycle, instead of water an organic working fluid, for example silicone oil or fluorinated Hydrocarbons used. Because these substances have lower boiling temperatures as water in ORC plants heat engines also with temperatures below 100 ° C operate. Geothermal power plants have already been in this Temperature range executed. Also combined heat and power with organic fuels such as wood waste were realized. Of the Efficiency of power plants with ORC technology is less than 15% and thus overall lower than when using conventional, Steam powered plants. For specific service areas, Operating modes and utilization scenarios are nevertheless economical meaningful and energetically efficient applications. Commercially available However, plants in the power range from 500 kW to 1 MW, smaller Plants were realized only in the experimental stage because the equipment cost is not worthwhile.

Die Druckschrift DE 32 01 386 A1 beschreibt in dar oben 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.The publication DE 32 01 386 A1 describes in the above a steam engine with four cylinders in which the inlet and outlet control of the individual cylinder is effected by an overhead shaft. The construction is reminiscent of a four-cylinder internal combustion engine with overhead camshaft.

Der Dampfmotor ist geeignet zum Betrieb mit Kältemitteln und ähnlichen leicht flüchtigen Flüssigkeiten.Of the Steam engine is suitable for operation with refrigerants and the like volatile Liquids.

Diese Flüssigkeiten können aufgrund Ihres niedrigen Siedepunktes mir Solarenergie zur Verdampfung gebracht werden und den Dampfmotor antreiben.These liquids can due to its low boiling point, solar energy for evaporation be brought and drive the steam engine.

Da beim Einsatz von Dampfmotoren in Verbindung mit solar erzeugter Wärmeenergie in besonderem Maße auf den Wirkungsgrad geachtet wenden 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.Since the use of steam engines in conjunction with solar-generated heat energy must be paid special attention to the efficiency, the cost of moving parts and the associated friction and storage is to be kept as low as possible. The inventor describes a cosuction in which the auxiliary drive ( 35 ) of the rotary valve ( 37 ) 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 tax cut-outs ( 56 to 59 ) either shaft seals or exact fits of the housing which also cause friction.

Um den Drehschieber und den Nebenantrieb montieren zu können ist ein gewisser Aufwand an Deckeln erforderlich welche wiederum abgedichtet werden müssen.Around to be able to mount the rotary valve and the auxiliary drive a certain amount of lids required which in turn are sealed have to.

Die Druckschrift 26 03 249 A1 beschreibt einen Dampfmotor bei dem die Expansionräume durch Faltenbalganordnungen (2–5) gebildet sind und eine Drehschieberanordnung (1) durch einen Zahnriemen (37) angetrieben wird.The document 26 03 249 A1 describes a steam engine in which the expansion spaces by Faltenbalganordnungen ( 2 - 5 ) are formed and a rotary valve arrangement ( 1 ) by a toothed belt ( 37 ) is driven.

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.By the use of the hermetically sealed bellows circumvents this construction the usual Effort of shaft seals for the crankshaft and the sealing of the piston against the cylinder wall.

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 Flatenbälge neigen also ohne Seitenführung zum Ausknicken. Weiterhin:
Bei konventionellen Kolbenmaschinen spricht man in der Endstellung des Kolbens vom sogenannten oberen und unteren Totpunkt.Constructions with bellows as an alternative to cylinders with associated pistons are known in the art, but their stroke is limited by the fact that the bellows can not absorb side forces resulting from the inclination of the connecting rods. Long flat bellows therefore tend to buckle without lateral guidance. Farther:
In conventional reciprocating engines one speaks in the end position of the piston of the so-called top and bottom dead center.

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.In the position of the top dead center, it usually applies the remaining To keep empty space in the cylinder as small as possible, one speaks also from harmful Room.

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.There bellows made of metal can be upsampled only to a certain extent in these constructions the harmful space is particularly large, which especially in expansion machines with low working pressures than adversely affect.

Die Druckschrift DE 10 2005 053 589 A1 beschreibt 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.The publication DE 10 2005 053 589 A1 describes a chiller which by a steam engine ( 5 ) is driven. This steam engine is supplied with a vaporized working fluid which can be heated by thermal solar energy. The invention offers the advantage that the drive, so the steam engine ( 5 ), and the reciprocating compressor ( 27 ) are in a common housing and therefore no shaft dike rings or drive shafts to the outside are needed.

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.The inventor sets the valve control for the inlet ( 21 ) and outlet ( 23 However, the control of these valves requires particular attention in machines of this kind 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 applying pressure. In addition, it is not guaranteed that the condensed working fluid can be displaced. So it is conceivable the need for a starting device in such a construction.

Die Druckschrift WO 2007/115769 beschreibt eine Kolbendampfmaschine mit Vorteilen in der Verbesserung des Wirkungsgrades durch eine besondere Einspritztechnik.The publication WO 2007/115769 describes a piston steam engine with advantages in improving the efficiency by a special injection technique.

Um eine Konstruktion dieser Art aus dem kalten Zustand in Bewegung zu bringen erwähnt der Erfinder die Notwendigkeit der Beheizung und Isolierung der Maschine.Around a construction of this kind from the cold state in motion to bring mentioned the inventor the need for heating and insulation of the Machine.

Die Konstruktion benötigt genau definierte Betriebszustände um den gewünschten „Flash”-Effekt zu realisieren.The Construction needed precisely defined operating states to the desired "Flash" effect to realize.

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.Want It would make it possible to operate with solar generated heat here so would have to ensure that the entire construction before starting to the required temperature Otherwise, the injected medium in the cold engine will not be brought comes to evaporation and thus the engine does not start.

Dazu wären Nebenaggregate wie Umwälzpumpen für das Heizmedium notwendig welche wiederum einen gewissen Aufwand an Antriebsenergie erfordern.To would be ancillaries like circulating pumps for the Heating medium necessary which in turn require a certain amount of drive energy.

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.Moreover is it for safe operation nowendig that constant conditions regarding the supplied thermal energy prevail, giving a storage for the thermal energy would make necessary.

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. Aufgabe der Erfindung soll es sein, 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.It it is obvious that too solar thermal energy can be used for operation in ORC systems, However, the use of solar collectors as an energy supplier some problems which have to be considered: Depending on the sunlight, Day or season is correspondingly different heat energy to disposal to which the system must adapt. If you are without storage for the Thermal energy want to get along, are strong fluctuations up to the temporary standstill to accept the plant. The object of the invention is to be a Introduce machine with the appropriate ancillaries, which specifically For this fluctuating operation is designed and also in small sizes of a few kW designed can be. The machine should start automatically and in a wide range Run range with different speed and different power can. The components used are to be made from commercially available materials can be. The suitable working fluid which evaporates in the circulation and condenses must be the comply with legal requirements for the protection of the ozone layer. The Work equipment should be directly in the solar panels without further heat exchangers can be evaporated. On mechanical and electrical control devices should be omitted can be. If the machine comes to a standstill due to a lack of energy supply should the resulting from the cooling Condensate throughout the system at a subsequent heating easily repressed can be. The lubrication of all Components should be made by a lubricant which the working fluid is mixed.

Die gestellte Aufgabe wird durch die, in den Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.The Asked object is achieved by the features specified in the claims.

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.It a piston steam engine is presented which three or more Piston owns and their valve control in the form of a rotary valve control accomplished is. The rotary valve control is a direct part of the crankshaft without additional components such as camshafts or mechanically operated control valves.

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.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. This feature has hitherto prevented uncontrolled operation with solar collectors. Every cloud would bring the known systems to a standstill. Smaller systems which are to be produced cheaply would therefore become uneconomical due to the necessary tax and regulatory effort. The feature of the invention described herein enables cost effective construction and operation of a heat engine. It is ever but make sure that the components which are to be driven by the piston steam engine, can handle the same speed fluctuations. This is possible through adapted electric generators, fans and pumps. Embodiments are given here by developments in wind power where similar changing operating conditions prevail.

Die Funktionsweise wird anhand der 1 bis 4 erläutert:
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 0°C und 50°C. In den Sonnenkollektoren verdampft das Arbeitsmittel und steht mit Temperaturen von ca 100°C 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 liegen 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 Molybdändisulfid 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.The functionality is based on the 1 to 4 explains:
1 schematically shows a usual ORC cycle which receives its heat energy through solar panels. A suitable working medium such as pentane, refrigerant R 365 or R 154, is provided with a condensate pump ( 19 ) over the line ( 22 ) one or more solar panels ( 20 ). The appropriate working media conveniently have a boiling point between 0 ° C and 50 ° C at atmospheric pressure. The working fluid evaporates in the solar collectors and is available with temperatures of approx. 100 ° C and pressures between 3 bar and 10 bar. Directly from the solar panels the steam flows over the pipe ( 23 ) of the piston engine ( 1 ) too. After the steam has been used to generate mechanical energy, it flows out of the piston steam engine via the line ( 24 ) to a capacitor ( 21 ) and is liquefied there by giving heat energy to the environment. The liquefaction temperatures are approx. 35 ° C to 45 ° C. The condensed steam flows as liquid working fluid over the line ( 25 ) again the condensate pump ( 19 ), the cycle is closed. To lubricate the piston steam engine, the working fluid, a liquid lubricant such as mineral oil, glycol oil or silicone oil are present, or in addition a powdered lubricant such as molybdenum disulfide or Teflon correspond to the prior art. There are some types of heat recovery via heat exchangers are common in such circuits, but are not mentioned to simplify this description. Likewise, the usual in steam circuits safety devices such as pressure relief valves, filter drier or condensate collector.

2 zeigt eine Kolbendampfmaschine (1) mit 3 Zylindern (2), (3), (4) in denen sich die Kolben (5), (6), (7) auf und ab bewegen. 2 shows a piston steam engine ( 1 ) with 3 cylinders ( 2 ) 3 ) 4 ) in which the pistons ( 5 ) 6 ) 7 ) move up and down.

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).The pistons are connected by connecting rods ( 8th ) connected to the crankshaft ( 9 ). Openings in the crankshaft alternately connect the cylinders via inlet channels ( 31 ) 32 ) 33 ) with the inlet ( 11 ) and via outlet channels ( 34 ) 35 ) 36 ) with the outlet ( 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.In the illustrated position of the crankshaft ( 9 ) is the inlet ( 11 ) and the cylinder ( 4 ) connected with each other. The piston ( 7 ) therefore moves downhill.

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.The outlet ( 12 ) is connected to the cylinder ( 2 ). The piston ( 5 ) moves upwards. The cylinder ( 3 ) is connected to neither the inlet nor the outlet and is currently at top dead center. The movement of the pistons causes the crankshaft ( 9 ) is rotated and the openings ( 10 ) and ( 13 ) accordingly connect the cylinders in alternation with inlet and outlet. Each cylinder is connected once to the inlet and once to the outlet in one revolution. This results in the necessity that at least three cylinders are present, even four or five cylinders are conceivable.

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).Accumulating condensate and lubricant are supplied via an additional opening ( 16 ) in the crankcase ( 17 ) over the line ( 18 ) in the working fluid circuit, conveniently between the condensate ( 21 ) and the condensate pump ( 19 ).

Eine besondere Bedeutung hat bei der hier beschriebenen Kolbendampfmaschine die Ausgestaltung der Kurbelwelle (9) welche gleichzeitig als Drehschiebersteuerung dient. In 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.Of particular importance in the case of the piston steam engine described here is the design of the crankshaft ( 9 ) which simultaneously serves as a rotary valve control. In 3 illustrated is an embodiment of the crank pin ( 14 ) which has the function of a roller rotary valve through holes in the form of holes, without additional mechanical components for valve control are necessary.

Dieser Kurbelzapfen (14) dient in 2 zur Auslaßsteuerung, ein Kurbelzapfen (15) in spiegelverkehrter Ausgestaltung, sonst baugleich, am anderen Ende der Kurbelwelle dient in 2 entsprechend der Einlaßsteuerung.This crankpin ( 14 ) serves in 2 for exhaust control, a crankpin ( 15 ) in mirror-inverted configuration, otherwise identical, at the other end of the crankshaft is used in 2 according to the intake control.

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.By the rotation of the crankshaft is at the latest after a crank angle of 120 ° another cylinder with the inlet and another cylinder connected to the outlet. Through this constellation of inlet and outlet is guaranteed that the Piston steam engine starts from any crankshaft position and liquid Condensate displaced becomes.

Das Diagramm in 4 verdeutlicht die Steuerzeiten der einzelnen Zylinder.The diagram in 4 illustrates the timing of the individual cylinders.

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.It is represented as a diagram of a full turn of the crankshaft corresponding to 360 °. The sinusoidal curves show the relationship between 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.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.By a rotary valve control is at least one cylinder of the piston steam engine on the Inlet with Steam applied while simultaneously at least one other cylinder via the outlet a connection has to the capacitor. Only if there is a piston in the upper or bottom dead center, there is no connection to the inlet or to the Outlet. Because the rotary valve control by recesses or holes in executed the crankshaft becomes, are for control purposes in the piston steam engine, the components reduced to a minimum. It is to be expected that in unregulated operation First the working fluid in the collectors evaporates and then the Piston engine is flowing. The piston engine is initially cold in this operating condition and therefore partially filled with condensed working fluid. About the Rotary valve control is the liquid working fluid from the piston steam engine repressed and this is brought to operating temperature.

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.The Piston steam engine comes slowly moving. It is unnecessary in this type of piston engine, a control or regulation which make sure that only vaporous Working fluid of the piston engine flows. The machine and the whole This makes circulation very easy. It is therefore unnecessary even the otherwise usual Control or regulation of the condensate pump which in terms of their output the operating conditions must be adjusted exactly.

Es ist deshalb denkbar daß beim Einsatz einer elektrischen Kondensatpumpe die notwendige Spannung und der elektrische Strom über photovoltaische 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.It is therefore conceivable that at Using an electric condensate pump the necessary voltage and the electric current over photovoltaic solar cells is provided. By an adapted Size of this Solar cells will then become proportional to the radiated energy corresponding amount of electrical energy provided which the Condensate pump in the Fördemenge affected. at promotes more sunlight the condensate pump then correspondingly more.

Claims

Piston steam engine ( 1 ), in which the drive energy is obtained from solar-generated steam, consisting of at least 3 cylinders ( 2 ) 3 ) 4 ) with associated pistons ( 5 ) 6 ) 7 ) and a crankshaft ( 9 ), characterized in that the crankshaft ( 9 ) incorporated recesses or openings as a rotary valve control, which is used to connect the individual cylinder with an inlet ( 11 ) or an outlet ( 12 ) is used for a working fluid of a working fluid circuit.

Piston steam engine according to claim 1 that a flooding is permitted with condensed working fluid.

Piston steam engine according to claim 1 that both accumulating condensate of the working fluid and lubricant via an opening ( 16 ) in the crankcase ( 17 ) is returned to the working fluid circuit.

Piston steam engine according to claim 1 that the lubricant the working medium is mixed.

Piston steam engine according to claim 1 that the working fluid pentane, R 365 or R 154.