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Die
Erfindung betrifft eine Aufheizeinrichtung zum Aufheizen wenigstens
eines Fluids mit einem Aufheizgehäuse, das wenigstens einen Fluideingang und
wenigstens einen Fluidausgang sowie Aufheizflächen aufweist, über die
das Fluid mittels einer Wärmequelle
erhitzbar ist.
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Aufheizeinrichtungen
der vorliegenden Art bilden Wärmeaustauscher, über die
ein in die Aufheizeinrichtung eingeleitetes Fluid mittels Wärmeaustausch über die
Aufheizflächen
auf eine höhere
Temperatur gebracht werden kann. Solche Aufheizeinrichtungen werden
vielfältig
angewandt und sind in Anpassung an den Anwendungszweck in verschiedensten
Ausführungsformen
bekannt. Eine Übersicht findet
sich in Ulmanns Enzyklopädie
der technischen Chemie, Band 2, 4. Aufl., 1972, S. 432 bis 444.
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Aufheizeinrichtungen
der vorgenannten Art kommen auch in Dampfmotoren zur Anwendung,
die in jüngerer
Zeit wieder in den Blickpunkt des Interesses als Haupt- oder Zusatzantriebe
in Kraftfahrzeugen gerückt
sind. Ein entspre chender Dampfmotor ist in den Artikeln „Zero Emission
Engine – Der
Dampfmotor mit isothermer Expansion", MTZ Motortechnische Zeitschrift 61
(2000), Nummer 5 und „Der Dampfmotor – Entwicklungsstand
und Marktchancen",
MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 (2001), Nr. 5 im einzelnen beschrieben.
Er hat eine Drei-Zylinder-Hubkolbenmaschine, die Teil eines geschlossenen
Dampfkreislaufs aus Dampferzeuger, je einem Dampfinjektor pro Zylinderkopf,
einem Abdampfwärmeaustauscher
für die
Aufheizung von Frischluft, einem Kondensator und einer Speisewasserpumpe
ist. In einer Verbrennungseinrichtung wird ein Heißgasstrom
erzeugt, mit dem der als Aufheizeinrichtung dienende Dampferzeuger
beaufschlagt wird. Das aus dem Dampferzeuger austretende Abgas gelangt
in einen Abgaswärmeaustauscher,
der von der angesaugten Frischluft zum Zwecke deren Aufheizung durchströmt wird.
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Der
vorbeschriebene Dampfmotor wurde zunächst als Antrieb für eine Kraftfahrzeug
konzipiert. In dem oben zweitgenannten Artikel ist auch seine Eignung
für 'den Einsatz in Blockheizkraftwerken
angesprochen. Die besonderen Vorteile des beschriebenen Dampfmotors
sind niedrigste Emissionen ohne Abgasnachbehandlung, hohes Drehmoment und
hohe Leistungsdichte, Brennstoffflexibilität, variable Auskopplung thermischer
und mechanischer Energie, guter Wirkungsgrad, geringe Geräuschentwicklung
und Ölfreiheit
des gesamten Systems.
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Bei
dem Dampfmotor kommen Röhrenwärmeaustauscher
als dampferzeugende Aufheizeinrichtungen zur Anwendung. Sol che Aufheizeinrichtungen
nehmen erheblichen Platz in Anspruch, zumal ein solcher Dampfmotor
mehrere solcher Wärmeaustauscher
hat.
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Daneben
sind Kombimotoren bekannt, bei denen ein Verbrennungsmotor mit einem
Dampfmotor kombiniert ist, wobei der Dampfmotor seine Leistung an
die Ausgangswelle des Verbrennungsmotors abgibt. Zur Verbesserung
des Wirkungsgrades wird das Abgas des Verbrennungsmotors dazu genutzt, das
Speisewasser für
den Dampfmotor in einer als Abgaswärmetauscher ausgebildeten Aufheizeinrichtung
zu verdampfen. Bei dem Kombimotor nach der
DE 196 10 382 A1 geschieht
dies in einem konventionellen Wärmetauscher.
Der Dampfmotor ist insofern Teil des Verbrennungsmotors, als der
Dampfmotor einen Kolben hat, der über ein Pleuel direkt auf die Kurbelwelle
des Verbrennungsmotors wirkt. Bei dem Kombimotor nach der
DE 42 05 240 A1 wird
das Abgas an der Außenseite
eines rotierenden, als Hohlkörper
ausgebildeten Zylinders vorbeigeleitet. Das zu verdampfende Speisewasser
wird in den Innenraum des Zylinders geleitet, verdampft dort und
gelangt dann in eine Dampfturbine, die über ein Getriebe mit der Motorausgangswelle
des Verbrennungsmotors verbunden ist und gleichzeitig den Zylinder
antreibt.
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In
der
DE 42 05 240 A1 ist
eine gattungsgemäße Aufheizeinrichtung
zum Aufheizen eines Fluids offenbart, das in der Aufheizeinrichtung
in einen Hohlzylinder eingespritzt wird, um die Verdampfung des
flüssigen
Mediums zu bewirken. Dabei dienen die Mantelwandungen des Hohlzylinders als
Aufheizflächen.
Für die
Aufheizung der Mantelwandungen wird das Abgas eines Verbrennungsmotors
vorbeigeführt.
Dabei können
auf der Außenseite
des Hohlzylinders zwecks Vergrößerung der
Wärmeaustauschflächen Rippen
verschiedenster Formgebungen angeordnet werden. Nachteilig bei dieser
Aufheizeinrichtung ist, daß sie
relativ kompliziert ausgebildet ist.
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In
der
DE 40 02 506 A1 ist
ein Flügelzellenmotor
offenbart. Er hat eine Aufheizeinrichtung in Form eines konventionellen
Wärmetauschers,
der von dem Abgas des Flügelzellenmotors
beaufschlagt ist. In dem Wärmetauscher
wird Wasser aufgeheizt, das in einen Dampferzeuger eingeführt und
dort mittels zuvor verdichteter und unter Zusetzung eines Treibstoffs
verbrannter Preßluft
verdampft wird. Das Gemisch aus Dampf und Verbrennungsgasen treibt dann
den Flügelzellenmotor
an.
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In
der
DE 36 29 494 C1 ist
ein Dampferzeuger offenbart, der aus einem rotierenden hohlen Zylinder
besteht, dessen Außenseite
von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt ist. Der Dampferzeuger
hat grundsätzlich Ähnlichkeit
mit der Aufheizeinrichtung gemäß der
DE 42 05 240 A1 .
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In
der
DE 36 43 496 A1 ist
eine Aufheizeinrichtung mit einem Gehäuse offenbart, in dem ein drehbar
angetriebener, als Radiallaufrad ausgebildeter Fluidförderkörper angeordnet
ist. Die Aufheizung des Fluids wird über Aufheizflächen des
Fluidförderkörpers bewirkt,
nämlich über sich
radial erstreckende Trennwände,
die sich axial erstreckende Durchströmkanäle begrenzen. Dabei strömt – in Umfangsrichtung
jeweils abwechselnd – das
aufzuheizende Fluid durch erste Kanäle und ein als Wärmequelle dienendes
Fluid durch zweite Kanäle.
Der Wärmeaustausch
wird dann über
die als Wärmeaustauschflächen dienenden,
radialen Trennwände
bewirkt. Eine solche Aufheizeinrichtung hat einen vergleichsweise
komplizierten Aufbau und ist deshalb in der Herstellung aufwendig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aufheizeinrichtung der
eingangs genannten Art so zu gestalten, daß sie besonders kompakt ist
und sich aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit für den Einsatz als Dampferzeuger
eines Dampfmotors eignet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß das
Aufheizgehäuse
wenigstens einer Fluidfördereinheit
umschließt,
die einen Fluidförderkörper aufweist,
der drehbar in dem Aufheizgehäuse
gelagert ist und durch dessen von einem Antrieb bewirkten Drehbewegung
das Fluid vom Fluid-eingang an den Aufheizflächen vorbei zum Fluidausgang
transportierbar ist. Grundgedanke der Erfindung ist es also, als
wärmetauschende
Aufheizeinrichtung eine oder mehrere Fluidfördereinheit(en) zu verwenden,
in die das aufzuheizende Fluid eingeleitet und mittels des jeweiligen
Fluidförderkörpers über einen
gewünschten
Winkelbereich transportiert und dabei an den Aufheizflächen vorbeigeführt wird.
Aufgrund der Drehbewegung des Fluidförderkörpers entsteht an den Aufheizflächen des
Aufheiz gehäuses eine
intensive Konvektion und damit ein guter Wärmeübergang. Ein wesentlicher Vorteil
der erfindungsgemäßen Aufheizeinrichtung
besteht darin, daß sich der
Grad der Aufheizung durch die Drehzahl des Fluidförderkörper beeinflussen
läßt. Dies
macht die Aufheizeinrichtung besonders geeignet als Dampferzeuger
für einen
Dampfmotor, da sich unter anderem durch die Drehzahl die Überhitzungstemperatur
einstellen läßt. Zusätzlich besteht
die Möglichkeit,
durch Druckmodulation des in die Aufheizeinrichtung eingeleiteten
Fluids auch den Massenstrom zu beeinflussen.
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Es
versteht sich, daß die
erfindungsgemäße Aufheizeinrichutng
aber auch für
andere Wärmeaustauscherzwecke
einsatzfähig
ist.
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In
Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Fluidförderkörper mit
dem Aufheizgehäuse mehrere
Zellvolumina ausbildet, die vorzugsweise über den Umfang des Fluidförderkörpers verteilt
sind und in denen das Fluid transportierbar ist. Als Fluidfördereinheiten
kommen dabei Schneckenförderer mit
einer oder mehreren, miteinander kämmenden Schnecken, Zahnradförderer mit
einem oder mehreren miteinander kämmenden Zahnrädern, Drehkolbenförderer,
insbesondere als Rootsförderer
oder Rollkolbenförderer
in Frage. Aber auch andere Fluidfördereinheiten mit drehbaren
Fluidförderkörpern sind
geeignet. Dies gilt insbesondere für eine Fluidfördereinheit,
die als Flügelzelleneinheit
mit einem in dem Aufheizgehäuse
drehbaren Flügelzellenrad
ausgebildet ist, dessen Lamellen zwischen sich Zellvolumina einschließen. Solche
Flügelzelleneinheiten
bieten die Möglichkeit,
das Fluid nicht nur aufzuheizen, sondern auch im gewünschten
Umfang zu verdichten. Dies kann dadurch geschehen, daß das Flügelzellenrad
gegenüber
dem Aufheizgehäuse
mit einer derartigen Exzentrizität
angeordnet ist und/oder das Aufheizgehäuse derart geformt ist, daß sich die
Zellvolumina vom Bereich des Fluideingangs bzw. der Fluideingänge bis
zum Fluidausgang bzw. den Fluidausgängen verkleinern. Es versteht
sich, daß in
diesem Fall die Lamellen des Flügelzellenrades
radial verschieblich geführt
sein müssen,
damit sie sich an die Kontur der Umfangswandung des Aufheizgehäuses anpassen.
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Im
allgemeinen bleibt nach dem Überstreichen
des Fluidausgangs in dem betreffenden Zellvolumen ein Restdruck.
Damit es im Bereich des Fluideingangs nicht zu Druckschwingungen
kommt, sollte das Flügelzellenrad
gegenüber
dem Aufheizgehäuse
mit einer derartigen Exzentrizität
angeordnet und/oder das Aufheizgehäuse derart geformt sein, daß sich die
Zellvolumina zwischen Fluidausgang und Fluideingang vergrößern und
danach wieder verkleinern. Auf diese Weise wird zwischen Fluidausgang
und Fluideingang eine Druckreduzierung erreicht, die das Auftreten
von Schwingungen weitestgehend vermeidet. Soweit eine Exzentrizität des Flügelzellenrades
gegeben ist, kann es zweckmäßig sein,
daß diese
Exzentrizität
einstellbar ausgebildet ist, die Achsen von Flügelzellenrad und Aufheizgehäuse also
zueinander verschiebbar sind.
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Eine
Druckentlastung kann auch dadurch bewirkt werden, daß in Drehrichtung
zwischen Fluidausgang und Fluideingang ein Druckentlastungsausgang
vorgesehen wird. Dieser kann mit einem Fluideingang über eine
Drossel verbunden werden.
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Die
erfindungsgemäße Aufheizeinrichtung kann
auch zweiphasig betrieben werden, indem Fluideingänge als
Gasfluideingang für
den Eintritt eines gasförmigen
bzw. dampfförmigen
Fluids und als Flüssigfluideingang
für den
Eintritt eines zumindest teilweise flüssigen und/oder dampfförmigen Fluids
ausgebildet sind. Diese Ausführungsform
eignet sich insbesondere als Dampferzeuger eines Dampfmotors, bei
dem der Gasfluideingang mit dem Dampf austritt eines Siedebehälters und
der Flüssigfluideingang
mit dem Flüssigkeitsaustritt
des Siedebehälters
verbunden werden. Diese Ausführungsform
ist vor allem dann zweckmäßig, wenn
zwischen Dampfaustritt und Gasfluideingang ein Verdichter angeordnet
ist, der den aus dem Siedebehälter
kommenden Dampf verdichtet und dadurch auf eine höhere Temperatur bringt,
so daß die
Flüssigkeit
aus dem Siedebehälter beim
Einspritzen in die Aufheizeinrichtung teilweise spontan verdampft
und hierdurch der Druck in der Aufheizeinrichtung stark erhöht wird.
Durch weitere Wärmezufuhr über die
Aufheizflächen
der erfindungsgemäßen Aufheizeinrichtung
wird das sich in einem Zellvolumen befindliche Arbeitsmedium vollständig verdampft
und überhitzt,
wodurch der Druck zusätzlich
gesteigert wird. Der dabei entstehende überhitzte Dampf kann dann als
Arbeitsmedium einer Expansionsmaschine zugeführt werden.
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Die
Aufheizflächen
sind zweckmäßigerweise an
dem Aufheizgehäuse
und hier insbesondere an der Umfangswandung im Bereich zwischen
Fluideingang und -ausgang vorgesehen. Alternativ oder in Kombination
dazu können
die Aufheizflächen
auch von der Nabe des bzw. der Fluidförderkörper gebildet werden.
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Insbesondere
für den
Einsatz der erfindungsgemäßen Aufheizeinrichtung
bei Dampfmotoren ist es vorteilhaft, wenn der bzw. die Fluidförderkörper einen
Antrieb mit Drehzahlsteuerung aufweist bzw. aufweisen. Über die
Veränderung
der Drehzahl des Fluidförderkörpers – im Falle
der Flügelzelleneinheit
das Flügelzellenrad – kann der
Grad der Überhitzung
entsprechend den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden, d.h. der Dampfmotor
kann an die jeweils geforderte Last schnell und problemlos adaptiert
werden.
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Es
versteht sich, daß auf
einer welle nebeneinander mehrere Fluidfördereinheiten angeordnet werden
können.
In diesem Fall ist es zweckmäßig, daß der Fluidausgang
einer Fluidfördereinheit
mit einem Fluideingang der nächsten
Fluidfördereinheit verbunden
wird.
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Wie
schon erwähnt,
eignet sich die erfindungsgemäße Aufheizeinrichtung
insbesondere als Dampferzeuger für
Wasserdampf. Dabei bildet ein Fluideingang einen Niederdruckdampfeingang
und ein weiterer Fluideingang einen Speisewassereinlaß. Ein solcher
Dampferzeuger ist erfindungsgemäß Teil eines
Dampfmotors. Er kann einem Verbrennungsmotor derart zugeordnet sein,
daß Abgas
des Verbrennungsmotors zur Beheizung der Aufheizflächen genutzt
wird, so daß auf
diese Weise die im Abgas noch vorhandene Wärmeenergie, die ansonsten verloren
wäre, genutzt
wird. Eine solche Kombination aus Verbrennungsmotor und Dampfmotor
ist an sich aus der
DE
196 10 382 A1 bekannt. Bei dieser Kombination sind Verbrennungsmotor
und Dampfmotor als auf dieselbe Kurbelwelle wirkende Kolbenmaschinen
ausgebildet und in der Weise miteinander gekoppelt, daß das Abgas
des Verbrennungsmotors die Verbrennungseinrichtung des Dampfmotors
beaufschlagt, die das Heizgas für
die Aufheizung des Speisewassers und des Dampfs erzeugt. Dabei wird
die Verbrennung durch einen Katalysator bewirkt.
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Eine
solche indirekte Beheizung der Aufheizflächen über das Abgas ist auch bei
dem Dampfmotor nach der vorliegenden Erfindung möglich, indem eine Verbrennungseinrichtung
des Dampfmotors, die das Heizgas für die Aufheizung des Speisewassers und
die Beheizung der Aufheizflächen
erzeugt, mit Abgas beaufschlagt wird. Statt dessen oder auch in Kombination
damit können
die Aufheizflächen
auch direkt von dem Abgas des Verbrennungsmotors beaufschlagt werden.
In beiden Fällen
ist die Anordnung des Dampfmotors in der Auspuffanlage des Verbrennungsmotors
und hier vor allem nach dem Katalysator und im Bereich des Schalldämpfers besonders
zweckmäßig und
platzsparend, zumal hierdurch die Wärmeenergie im Abgas weitgehend
verlustfrei genutzt werden kann. Dabei bietet es sich an, den Dampfmotor
so anzuordnen, daß er
von dem Abgas umströmt
wird.
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Der
Dampfmotor hat vorzugsweise einen Abtrieb, der mit dem vom Verbrennungsmotor
ausgehenden Antriebsstrang mechanisch verbunden ist, wobei es nicht
darauf ankommt, an welcher Stelle die Einkopplung der Antriebsleistung
des Dampfmotors erfolgt.
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Die
Anordnung der Einzelteile des Dampfmotors können so getroffen werden, daß in Strömungsrichtung
nacheinander der Dampferzeuger, eine Rotationsmaschine zur Expansion
und/oder Kompression des Dampfs und ein Siedebehälter angeordnet werden. Diese
Anordnung ist insbesondere für
den Einbau in die Auspuffanlage eines Verbrennungsmotors zweckmäßig. Die
Rotationsmaschine kann beispielsweise eine Kreiskolbenmaschine sein (vgl.
DE 201 10 553 U1 ).
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Dampfmotor dem Verbrennungsmotor
derart zugeordnet ist, daß die
Wärme des
Abgases und/oder des Kühlwassers
des Verbrennungsmotors zur Beheizung des Siedebehälters genutzt
wird.
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In
der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher veranschaulicht.
Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch
eine Flügelzelleneinheit
der erfindungsgemäßen Aufheizeinrichtung;
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2 eine schematische Darstellung
eines Dampfmotors unter Verwendung der Flügelzelleneinheit gemäß 1;
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3 den Einbau des Dampfmotors
gemäß 2 in das Auspuffrohr einer
Verbrennungsmaschine.
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Die
in 1 dargestellte Aufheizeinrichtung 1 weist
ein Gehäuse 2 auf,
von dem hier nur die hintere Stirnwand 3 und die Umfangswandung 4 zu
sehen ist. Die vordere Stirnwand, die den Innenraum des Gehäuses 2 abschließt, ist
weggelassen.
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In
den beiden Stirnwandungen 3 gelagert ist ein Flügelzellenrad 5,
das eine walzenförmige
Nabe 6 aufweist, die in Richtung des Pfeils A um eine Drehachse 7 verdrehbar
ist, welche koaxial zu einer Antriebswelle für den Antrieb des Flügelzellenrades 5 liegt.
Die Nabe 6 wird von einem hier nicht näher dargestellten Motor angetrieben.
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Die
Nabe 6 weist insgesamt zwölf Radialschlitze – beispielhaft
mit 8 bezeichnet – auf,
die sich von der Drehachse 7 radial nach außen erstrecken und
in dieser Richtung hin offen sind. Sie sind gleichmäßig über den
Umfang der Nabe 6 verteilt. In den Radialschlitzen 8 sind
Lamellen – beispielhaft
mit 9 bezeichnet – radial
verschieblich gelagert. Mit ihren äußeren Kanten – beispielhaft
mit 10 bezeichnet – liegen
sie an der Umfangswandung 4 an. Gleichzeitig haben sie
mit ihren sich radial erstreckenden Seitenkanten Kontakt zu den
beiden Stirnwänden 3.
Auf diese Weise ergibt sich jeweils zwischen zwei Lamellen 9 ein
von diesen Lamellen 9, den zugehörigen Umfangsanteil der Nabe 6,
der Umfangswandung 4 und den Stirnwänden 3 eingeschlossenes
im wesentlichen abgedichtetes Zellvolumen – beispielhaft mit 11 bezeichnet –, so daß insgesamt
zwölf Zellvolumina 11 gebildet
werden.
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Die
Lamellen 9 werden bei einer Drehbewegung des Flügelzellenrads 5 aufgrund
der auf sie einwirkenden Fliehkräfte,
unterstützt
durch den Druck in den Zellvolumina 11, nach außen in Richtung
auf die Umfangswandung 4 gedrückt, wobei innerhalb der Radialschlitze 8 Federn
vorhanden sein können,
die dies unterstützen
und eine Anlage der Lamellen 9 an der Umfangswandung 4 auch
im Stillstand gewährleisten.
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Die
Umfangswandung hat eine strenge Kreisform, deren Mittelachse in
der Drehachse 7 des Flügelzellenrads 5 liegt.
Das Flügelzellenrad 5 ist also
in dem Gehäuse 2 zentrisch
angeordnet. Bei einer Umdrehung des Flügelzellenrads 5 ändern sich also
die Zellvolumina 11 nicht.
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Die
erfindungsgemäße Aufheizeinrichtung 1 ist
als Dampferzeuger ausgebildet. Über
die Umfangswandung 4 mündet
ein Niederdruckdampfeingang 12 und (Pfeil A) danach eine
Speisewassereinspritzdüse 13,
und zwar so in Drehrichtung versetzt, daß die Speisewassereinspritzdüse 13 in
ein Zellvolumen 11 einspritzt, das keine Verbindung mehr
zum Niederdruckdampfeingang 12 hat. Über den Niederdruckdampfeingang 12 strömt Dampf
mit einem Druck p3 und einer Temperatur
T3 ein, wobei die Temperatur durch vorherige
Kompression des Dampfs so hoch ist, daß das danach über die
Speisewassereinspritzdüse 13 eingespritzte
Speisewasser 14 teilweise spontan verdampft, wodurch sich
der Druck in den Zellvolumina 11 isochor erhöht.
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In
Drehrichtung danach bilden die Umfangswandung 4 und die
Stirnwände 3 Aufheizflächen 15, über die
der in den Zellvolumina 11 in Drehrichtung des Flügelzellenrads 5 mitgeführte Dampf
erhitzt wird. Hierzu werden die Aufheizflächen 15 von einer Wärmequelle – symbolisiert
durch den Pfeil B – beaufschlagt.
Bei dieser Wärmequelle
kann es sich um von einer Verbrennungseinrichtung erzeugtes Heißgas oder
um Abgas eines Verbrennungsmotors handeln, das außenseitig
auf den Bereich des Gehäuses 2 auftrifft, das
die Aufheizfläche 15 bildet.
Dabei kann die Beaufschlagung des Gehäuses 2 mit einer Wärmequelle über den
Umfang der Umfangswandung 4 bis zu einem Hochdruckdampfausgang 16 fortgeführt werden. Über diesen
Hochdruckdampfausgang 16 tritt hochgespannter Dampf mit
einem Druck p1 und einer Temperatur T1 aus, die beide erheblich über den
Druck p3 bzw. der Temperatur T3 am
Niederdruckdampfeingang 12 liegen. Dieser hochgespannte
Dampf kann in einer Expansionsmaschine technisch genutzt werden
(vgl. 2).
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Zwischen
Hochdruckdampfausgang 16 und Niederdruckdampfeingang 12 ist
ein Druckentlastungsausgang 17 vorgesehen. Dieser dient
dazu, den noch in dem Zellvolumen nach dem Überstreichen des Hochdruckdampfausgangs 16 verbliebenen
Druck zu entspannen, so daß ein
Zurückschlagen
in den Niederdruckdampfeingang 12 vermieden wird. Damit
es insoweit nicht zu Verlusten kommt, mündet der Druckentlastungsausgang 17 bypassartig
in dem Niederdruckdampfeingang 12, wobei zwischen beiden
eine hier nicht näher
dargestellte Drossel angeordnet ist, die den Druck p2 abbaut.
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In 2 ist die Aufheizeinrichtung 1 gemäß 1 als Teil eines schematisch
dargestellten Dampfmotors 21 dargestellt, wobei zur Beschreibung der
Aufheizeinrichtung 1 auf das Vorstehende Bezug genommen
wird.
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Der
Dampfmotor 21 hat einen Siedebehälter 22, in dem sich
Speisewasser 23 befindet. Der Siedebehälter 21 wird von einer
Wärmequelle – symbolisiert
durch den Pfeil D – beaufschlagt.
Hierbei kann es sich um Abgas eines Verbrennungsmotors und/oder
um ein von einer Verbrennungseinrichtung des Dampfmotors 21 erzeugten
Heißgases
handeln. Zusätzlich
oder statt des Abgases des Verbrennungsmotors kann auch Kühlwasser
zur Erwärmung des
Speisewassers 23 auf eine Temperatur von ca. 100°C herangezogen
werden.
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Von
dem Siedebehälter 22 geht
eine Speisewasserleitung 24 zu der Speisewassereinspritzdüse 13.
In der Speisewasserleitung 24 sitzt eine Speisewasserpumpe 25,
die das Speisewasser 23 aus dem Siedebehälter 22 zu
der Speisewassereinspritzdüse 13 mit
einem Druck von z.B. 15 bar fördert.
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Von
dem oberen Bereich des Siedebehälters 22 geht
eine Dampfleitung 26 aus, die zu einer Flügelzelleneinheit 27 führt. Sie
ist ähnlich
ausgebildet wie die Aufheizeinrichtung 1, weist also ein
Gehäuse 28 auf,
von dem nur die hintere Stirnwand 29 und die Umfangswandung 30 zu
sehen sind. Die vordere Stirnwand, die den Innenraum des Gehäuses 28 abschließt, ist
weggelassen.
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In
den beiden Stirnwandungen 29 ist ein Flügelzellenrad 31 gelagert,
das eine walzenförmige Nabe 32 aufweist,
die in Richtung des Pfeils C um eine Drehachse 33 verdrehbar
ist, welche koaxial zur Antriebswelle für den Antrieb eines Verbrauchers liegt.
Die Nabe 32 ist mit der Antriebswelle drehfest verbunden.
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Die
Nabe 32 weist insgesamt zwölf Radialschlitze – beispielhaft
mit 34 bezeichnet – auf,
die sich von der Drehachse 33 radial nach außen erstrecken
und in dieser Richtung hin offen sind. Sie sind gleichmäßig über den
Umfang der Nabe 32 verteilt. In den Radialschlitzen 34 sind
Lamellen – beispielhaft mit 35 bezeichnet – radial
verschieblich gelagert. Mit ihren äußeren Kanten – beispielhaft
mit 36 bezeichnet – liegen
sie an der Umfangswandung 30 an. Gleichzeitig haben sie
mit ihren sich radial erstreckenden Seitenkanten Kontakt zu den
beiden Stirnwänden 29.
Auf diese Weise ergibt sich ein jeweils zwischen zwei Lamellen 35 ein
von diesen Lamellen 35, den zugehörigen Umfangsanteil der Nabe 32,
der Umfangswandung 30 und den Stirnwänden 29 eingeschlossenes
Zellvolumen – beispielhaft
mit 37 bezeichnet –,
so daß insgesamt
zwölf Zellvolumina 37 gebildet
werden.
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Die
Lamellen 35 werden bei einer Drehbewegung des Flügelzellenrads 31 aufgrund
der auf sie einwirkenden Fliehkräfte
und unterstützt
durch den Druck in den Zellvolumina 37 nach außen in Richtung auf
die Umfangswandung 30 gedrückt, wobei innerhalb der Radialschlitze 34 Federn
vorhanden sein können,
die dies unterstützen
und eine Anlage der Lamellen 35 an der Umfangswandung 30 auch
im Stillstand gewährleisten.
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Die
Umfangswandung 30 hat im wesentlichen eine Kreisform mit
einer Mittelachse 38. Die Drehachse 33 ist gegenüber der
Mittelachse 38 um eine Exzentrizität nach oben verschoben. Dies
hat zur Folge, daß sich
die Zellvolumina 37 bei einer Umdrehung des Flügelzellenrads 31 – ausgehend
von einem oberen Totpunkt 39 bis zu einem unteren Totpunkt 40 – vergrößern und
dann in der zweiten Hälfte der
Umdrehung bis zum oberen Totpunkt 39 wieder verkleinern.
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Die
Umfangswandung 30 hat jedoch keine ideale Kreisform. In
einem ersten Winkelbereich, ausgehend von dem oberen Totpunkt 39 in
Drehrichtung (Pfeil A), verlaufen der Mantel der Nabe 32 und die
Umfangswandung 30 konzentrisch zur Drehachse 33,
also parallel zueinander. Über
diesen ersten Winkelbereich verändert
sich also das Zellvolumen 37 nicht. Erst danach geht die
Umfangswandung 30 in eine Kreisform um die Mittelachse 38 über.
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Über die
Dampfleitung 26 wird in Drehrichtung (Pfeil C) nach dem
unteren Totpunkt 40 gerade gesättigter Dampf aus dem Siedebehälter 22 in
den Innenraum der Flügelzelleneinheit 27 geleitet.
Mit Umdrehung des Flügelzellenrades 31 wird
dieser Dampf aufgrund der sich dann verkleinernden Zellvolumina 11 verdichtet. Über einen
Niederdruckdampfausgang 41 und eine Niederdruckdampfleitung 42 gelangt
der Dampf zu dem Niederdruckdampfeingang 12 mit einer Temperatur
von beispielsweise von T3 = 300°C und einem
Druck von p3 = 6 bar. In diesen Dampf wird
das Speisewasser 23 über
die Speisewassereinspritzdüse 13 eingespritzt
und verdampft teilweise spontan. Der Dampf wird – wie oben beschrieben – über die
auf die Aufheizflächen 15 wirkende
Wärmequelle
(Pfeil B) erhitzt, wobei auch der Druck weiter ansteigt, und tritt über den
Hochdruckdampf ausgang 16 beispielsweise mit einer Temperatur
T1 = 500°C
und einem Druck p1 = 20 bar aus.
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Über eine
Hochdruckdampfleitung 43 und einen Hochdruckdampfeingang 44 gelangt
der Dampf kurz hinter dem oberen Totpunkt 39 in den Innenraum der
Flügelzelleneinheit 27 bzw.
in die Zellvolumina 37. Dabei bleibt – wie oben beschrieben – das Zellvolumen 37 zunächst konstant.
Erst nach einem vorgegebenen Drehwinkel vergrößern sich die Zellvolumina 37,
und der eingeleitete Dampf expandiert und treibt auf diese Weise
das Flügelzellenrad 31 und
damit die Drehachse 33 an, welche mit der Drehachse 7 der
Aufheizeinrichtung 1 verbunden ist. Der expandierte Dampf
tritt über
den Abdampfauslaß 45 kurz vor
dem unteren Totpunkt 40 aus und wird über eine Abdampfleitung 46 einem
Kondensator 47 zugeführt. In
dem Kondensator 47 befindet sich ein Wärmeaustauscher 48,
der von Kühlwasser
durchströmt
wird, so daß der
einströmende
Abdampf soweit abkühlt, daß er kondensiert.
Die dabei entstehende Abwärme ist
durch den Pfeil E symbolisiert. Das kondensierte Wasser wird mittels
einer Pumpe 49 und einer Zuführleitung 50 wieder
in den Siedebehälter 22 zurückgeführt.
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Zwischen
Hochdruckdampfausgang 16 und Niederdruckdampfeingang 12 befindet
sich der Druckentlastungsausgang 17. In einer anschließenden Druckentlastungsleitung 52 wird
der Druck des noch verbliebenen Dampfes in einer Drossel 53 beispielsweise
auf p2 = 3 bar und T2 =
500°C reduziert
und der Dampf in die Niederdruckdampfleitung 42 gegeben und
damit dem Niederdruckdampfeingang 12 zugeleitet.
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Es
versteht sich, daß die
Expansion des Dampfs auch mehrstufig erfolgen kann, indem hintereinander
mehrere Flügelzelleneinheiten
auf einer Antriebswelle angeordnet werden und der Abdampfauslaß 45 unter
Zwischenschaltung einer Zwischenüberhitzungseinheit
mit dem Hochdruckdampfeingang einer weiteren Flügelzelleneinheit 27 verbunden
wird usw.
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In 3 ist – ebenfalls schematisch – der Dampfmotor 21 in
ein Auspuffrohr 53 eines hier nicht dargestellten, üblichen
Verbrennungsmotors für Kraftfahrzeuge
eingebaut. Das Auspuffrohr 53 strömt in Richtung der Pfeile F
zunächst
durch einen Katalysator 54 und dann in ein sich erweiterndes
Gehäuse 55.
In dem Gehäuse 55 ist
der Dampfmotor 21 z. B. anstelle eines Schalldämpfers so
eingebaut, daß in Strömungsrichtung
gesehen (Pfeile F) zunächst
die Aufheizeinrichtung 1 angeordnet und demgemäß von dem
Abgas angeströmt
wird. Der Aufheizeinrichtung 1 nachgeschaltet ist die Flügelzelleneinheit 27,
wobei deren Flügelzellenräder 5, 31 auf
einer gemeinsamen Antriebswelle 56 sitzen. Die Antriebswelle 56 tritt
am anderen Ende der Flügelzelleneinheit 27 aus und
ist dort über
eine Antriebskette 57 mit einer Antriebswelle 58 – hierbei
kann es sich auch um die Getriebehauptwelle des dem Verbrennungsmotor
nachgeschalteten Getriebes handeln – verbunden. Die Expansionsleistung
der Flügelzelleneinheit 27 unterstützt also
die Leistung des Verbrennungsmotors.
-
In
Strömungsrichtung
(Pfeil F) gesehen hinter der Flügelzelleneinheit 27 ist
der Siedebehälter 22 angeordnet.
Auch er ist von dem Abgas des Verbrennungsmotors beaufschlagt. Zusätzlich kann
auch Kühlwasser
zur Erwärmung
des Speisewassers 23 in dem Siedebehälter 22 herangezogen
werden, so daß das
im Siedebehälter 22 befindliche
Speisewasser 23 eine Temperatur von ungefähr 100°C hat.