WO1998058161A1 - Zylinder-kolbeneinheit, insbesondere für dampfkraftmaschinen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a cylinder-piston unit, in particular for steam engines with expansion under the supply of heat according to the preamble of the main claim.
- a steam engine with a cylinder-piston unit according to the document DE-PS 828 988 with expansion under the supply of heat is previously known.
- the piston has a heat head insulated on the inside.
- the heat is supplied to the cylinder piston element via cylinder fins by means of an open burner in the stroke area of the insulated heat head and the cylinder head with the compression chamber. Steam is generated directly in the heated cylinder by metered water injection.
- the outlet for the expanded water vapor is formed by slots opened by the piston in the area of bottom dead center.
- Pore burners for essentially NOx-free combustion are known from the document DE 43 22 109 A1.
- a layering of parts which is varied from fuel gas inlet to outlet from fine to coarse-pore pores stabilizes and limits the temperature in the combustion process, thereby ensuring low-pollution combustion.
- This type of burner has a high power density based on its construction volume, an application as a hot water or steam generator is described.
- the object of the invention is to supply the cylinder-piston unit of the steam engine with heat directly at the cylinder head and expansion space by means of a pore burner.
- Pore burners work with relatively low firing temperatures and, due to their structure, enable the production of thermal bridges directly to the cylinder-piston unit.
- the low firing temperature level is suitable on the one hand for heat transfer to the working process of a steam engine with expansion under the addition of heat and on the other hand ensures low-pollution combustion.
- FIG. 1 shows a longitudinal section through a cylinder-piston unit with a
- Fig. 2 top view of a polygonal displacer shows a cross section through the cylinder-piston unit with an enlarged surface of the displacer and the warm cylinder section and the burning distances of the pore burner
- FIG. 1 shows a cylinder-piston unit 1 with a piston 2 and displacer 3 and an overall supply of heat to the working medium in the entire working space 5.
- a special pore burner 50 with the firing section A is used.
- Heat transfer paths B and C surround the lower part of the cylinder head 43 and the cylinder 1 in the stroke area 41 of the displacer 3.
- the guide piston 2 carries sealing rings 21 and a heat-insulated displacer 3. It is connected to a crankshaft via a connecting rod - not shown - and will be in the cylinder bore 4 in a warm and cold cylinder section 41; 46 out. - 3 -
- the displacer 3 preferably has an absorption or reflection surface 31, behind which there is preferably a heat storage layer 32 and an insulating layer 33.
- heat is stored on the one hand or heat is reflected on the other hand to heat the charge between the displacer 3 and the inner surface of the cylinder section 41.
- This design ensures corrective transfer of heat with high efficiency through the flow in the cylinder space and the warm walls of the cylinder section 41 and the cylinder head 43.
- radial ribs 44 and / or offset needle-like or web-shaped, radial projections are arranged on the cylinder jacket 42 in the cylinder section 41 of the displacer 3 or additionally on the cylinder head 43 .
- Heat transfer sections B and C of the pore burner 50 are formed between their sectors which are closed to the outside.
- Cylinder jacket 42 and cylinder head 43 can be designed as cast or sintered parts and / or a? to increase the heat transfer surface.
- the displacer 3 is guided in its stroke region with play parallel to the surrounding warm cylinder section 41 and has a cross section that becomes smaller in relation to the cylinder head 43.
- the mutually complementary surfaces can be made polygonal.
- the hottest heat transfer path B is assigned to this area.
- the warm cylinder section 41 in the stroke area of the displacer 3 and the cylinder head 43 are advantageously designed as radiators, the radiation of which lies in the range of the absorption spectrum of the working medium.
- the pore burner 50 is assigned to the cylinder head 43. It extends annularly over part of the cylinder head 43. Heat transfer sections B and C of the pore burner 50 and are expedient
- Steam generator 6 is surrounded on the outside by an insulating layer 51.
- the outside of the heat transfer paths C on the cylinder jacket 42 is enclosed by a steam generator 6 or preheater.
- the combustion gases of the pore burner 50 are removed from the space surrounding the steam generator 6.
- Pipe channels 7 of a superheater stage between the heat transfer paths B and C and / or in the cylinder jacket 42, preferably in its radial ribs 44 running parallel to the axis of the cylinder jacket 42, are advantageously arranged in a guided manner.
- the outlet channel 11 opens with windows that are overflowed by the sealing rings 21 of the guide piston 2.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolbeneinheit, insbesondere für Dampfkraftmaschinen mit Expansion unter Wärmezufuhr folgender Bauart: ein im Zylinderelement geführter Kolben weist einen Verdränger auf, eine Heizeinrichtung ist am Zylinderelement für den Hubbereich eines nicht dichtenden Verdrängers angeordnet, die Arbeitsmittelzuführung erfolgt dampffömig oder flüssig im Bereich des oberen Totpunktes, ein Auslaß des expandierten Arbeitsmittels erfolgt zumindest im Bereich des unteren Totpunktes. Es wird die Aufgabe gelöst, eine vorteilhafte Zuordnung eines Porenbrenners zur Zylinder-Kolbeneinheit zu schaffen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß am warmen Zylinderabschnitt (41) im Hubbereich des Verdrängers (3) und am Zylinderkopf (43) Wärmeübergangsstrecken (B; C) eines den Zylinderkopf (43) in seiner Höhe teilweise umschließenden Porenbrenners (50) angeordnet sind.
Description
Zylinder-Kolbeneinheit, insbesondere für Dampfkraftmaschinen
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.
- 2 -
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:
Fig.1 einen Längsschnitt durch eine Zylinder-Kolbeneinheit mit einem
Verdränger und einer Wärmezuführung durch einen ringförmigen
Porenbrenner,
Fig. 2 (Draufsicht auf einen polygonförmigen Verdränger) einen Querschnitt durch die Zylinderkolbeneinheit mit vergrößerter Oberfläche des Verdrängers und des warmen Zylinderabschnittes sowie den Brennstrecken es Porenbrenners
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.
- 3 -
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 ? zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche auf-weisen.
Der Verdränger 3 ist in seinem Hubbereich mit Spiel parallel zum umgebenden warmen 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.
-4- 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.
-5- Bezugszeichenaufstellung:
1 Zylinder-Kolbeneinheit
2 Führungskolben 21 Ringdichtungen
3 Verdränger
31 Absorptions- oder Reflexionsoberfläche
32 Wärmespeicherschicht
33 Isolierschicht
4 Zylinderbohrung
41 warmer Zylinderabschnitt /Hubbereich des Verdrängers 3
42 Zylindermantel
43 Zylinderkopf
44 Rippen
46 kalter Zylinderabschnitt/Hubbereich des Führungskolbens 2
5 Arbeitsraum
50 Porenbrenner
51 Isolierschicht
6 Dampferzeuger
7 Rohrkanäle einer Überhitzerhaube
11 Auslaßkanal
A Brennstrecke von 50 B Wärmeübergangsstrecke C Wärmeübergangsstrecke
Claims
1. Zylinder-Kolbeneinheit, insbesondere für Dampfkraftmaschinen mit Expansion unter Wärmezufuhr folgender Bauart, ein im Zylinderelement geführter Kolben weist einen Verdränger auf, eine Heizeinrichtung ist am Zylinderelement für den Hubbereich eines nicht dichtenden Verdrängers angeordnet, die Arbeitsmittelzuführung erfolgt dampfförmig oder flüssig im Bereich des oberen Totpunktes, ein Auslaß des expandierten Arbeitsmittels erfolgt zumindestens im Bereich des unteren Totpunktes, dadurch gekennzeichnet, daß am warmen Zylinderabschnitt (41) im Hubbereich des Verdrängers 3 und am Zylinderkopf (42) Wärmeübergangsstrecken (B;C) eines den Zylinderkopf (43) in seiner Höhe teilweise umschließenden Porenbrenners (50) angeordnet sind.
2. Zylinder-Kolbeneinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß am Zylinderabschnitt (41) im Hubbereich des Verdrängers (3) oder zusätzlich am Bereich des Zylinderkopfes (43) radiale Rippen (44) oder/und zueinander versetzte nadel- oder stegförmige, radiale Ansätze angeordnet sind, zwischen deren nach außen geschlossenen Sektoren Wärmeübergangsstrecken (B;C) des
Porenbrenners (50) angeordnet sind.
3. Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderabschnitt (41) und der Zyiinderkopf (43) als Guß- oder Sinter- Teile ausgeführt sind.
-7-
4. Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkolbenabschnitt (41), der Zylinderkopf (43) und der Verdränger(3)einzeln oder serienmäßig eine die Wärmeübergangsfläche vergrößernde Beschichtung aufweisen.
5. Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Zonen und die Wärmeübergangsstrecken (B; C) des Porenbrenners (50) nach außen von einer Isolierschicht (51) umgeben sind.
6. Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite des den Zylinderkopf (43) und Zylindermantel (42) umschließenden Porenbrenners (50) mit seinen Wärmeübergangsstrecken (B;C) vom Dampferzeuger (6) oder Vorwärmer umschlossen ist.
7. Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Überhitzerstufe aus mehreren Rohrkanälen besteht, die in oder zwischen den Wärmeübergangsstrecken (B; C) des
Porenbrenners (50) und/oder im Zylindermantel (42), vorzugsweise in dessen radialen zur Achse des Zylindermantels parallel verlaufenden
Rippen (44), geführt sind.
-8-
8. Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseiten von Zylindermantel (42) und Zylinderkopf (43) als Strahler ausgebildet sind, dessen Strahlen im Bereich des Absorptionsspektrums des Arbeitsmediums liegt.
9. Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Verdränger mit Spiel gegenüber der Zylinderinnenfläche geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Verdränger (3) als Absorptionsfläche und/oder Reflexionsfläche für die Strahlung des Zylindermantels (42) ausgeführt ist und eine Wärmespeichermasse (32) aufweist, die nach innen von einer Isolierschicht (33) umgeben ist.
10. Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (3), der Zylindermantel (42), der warme Zylinderabschnitt (41), und der Zylinderkopf (42) mit komplementären Polygonkonturen ausgestattet sind.
11. Zylinder-Kolbeneinheit nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Zylindermantel (42) im Hubbereich des Verdrängers (3) und/oder Zylinderkopf (43) zueinander versetzte, gewellten Lochplatinen gleichende Rippen (44) an- oder eingegossen bzw. eingesintert sind.
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