AT108273B - Einrichtung zur Verwertung der gesamten Abfallwärme für Kraftzwecke von Öl- oder Gaskraftmaschinen mit Luftspülung. - Google Patents

Description

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   Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Verwertung der gesamten Abfallwärme einer   01-oder Gaskraftmaschine,   also sowohl jener mit hohem   Wärmegefälle   in den Auspuffgasen, als auch jener mit niedrigem Gefälle im Kühlwasser enthaltenen, in einer weiteren Kraftmaschine (mit Druckgas arbeitenden   Expansionsmaschine).   



   Die Verwertung der Abfallwärme der Auspuffgase ist bekannt ; sie wird meist in Überhitzern durchgeführt, in denen die Auspuffgase, von dem zu erwärmenden Wasser oder der Luft durch eine Metallwand getrennt, eines die, er beiden Mittel infolge des   geringen Wärmeübergangskoeffizienten   mit ziemlich geringem Wirkungsgrad erwärmen. Der Wirkungsgrad wird wesentlich verbessert, wenn die Auspuffgase mit der Spülluft vermengt und als Treibmittel verwendet werden. Die Verwertung der im Kühlwasser enthaltenen Abfallwärme scheiterte bisher an dem geringen Wärmegefälle bei verhältnismässig grosser Wassermenge. 



   Die Gesamtausbeute an wiedergewonnener Abfallwärme kann daher nur gesteigert werden, indem 
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 Spitzentemperatur ableitenden Spülluft vergrössert, folglich die notwendige Menge Kühlwasser so weit vermindert wird, dass die Wärmemenge der Auspuffgase und der Spülluft zur restlosen Verdampfung des Wassers ausreicht. Dies geschieht gemäss vorliegender Erfindung in einem besonderen Verdampfungskühler, in dem auch die Mischung der Auspuffgase mit der Spülluft und dem Wasserdampf erfolgt. Hand in Hand damit geht eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der Kraftmaschine selbst, sowohl infolge der vollkommeneren Spülung durch die grössere Luftmenge, als auch wegen des höheren Druckes und der höheren Temperatur, bei welcher der Kreisprozess infolge des höheren Druckes der eingeblasenen Spülluft durchgeführt wird.

   Dieser Druck kann jedoch wesentlich niedriger bemessen werden als der Gegendruck der zweiten Kraftmaschine, wenn für eine rasche und weitgehende, der Kondensation bei Dampfmaschinen ähnliche Abkühlung der Auspuffgase im Verdampfungskühler   vorge30rgt   ist. Dabei aber wird im Gegensatz zur Kondensation bei Dampfmaschinen keine Wärme ungenutzt abgeleitet. 



   In der Zeichnung veranschaulicht Fig. 1 im Aufriss die Ansicht eines Maschinensatzes, bestehend aus einer im Zweitakt arbeitenden Rohölmaschine mit   Gliihkopfzündung   auf gemeinsamen Grundrahmen und unmittelbar gekuppelt mit einem Gebläse ; Fig. 2 zeigt den Kreuzriss im Schnitt nach der gebrochenen Schnittebene   a-b der Fig.   3, die den Grundriss wiedergibt ; Fig. 4 stellt in vergrössertem Massstab und im Schnitt den unteren Teil des Verdampfungskühlers samt Rohrschlange dar und Fig. 5 in noch grösserem Mass3tab ebenfalls im Schnitt als Einzelheit die Führung des zu verdampfenden Kühlwassers längs der Rohrschlange. 



   Auf dem Grundrahmen 1 befinden sich in der beispielsweisen Ausführungsform ein Gebläse 2 und die mit diesem mittels der als Riemenscheibe ausgebildeten Kupplung 3, die am Schwungrad   4   befestigt ist, unmittelbar gekuppelten   Glühkopfmaschine   5. Diese ist von jener bekannten Bauart, bei der der Kolben 6 selbst die Steuerung besorgt. Durch die Eintrittsöffnung 7 tritt Spülluft oder Gasgemisch entweder durch das Rohr 8 unmittelbar vom Gebläse 2 oder durch den Kanal   9 aus   dem Kurbelgehäuse in den Zylinder ein. Das Gebläse kann auch dem Kurbelgehäuse als erste Verdichtungsstufe vorgeschaltet werden, wenn der Maschinensatz erhöhte Leistung abgeben soll.

   Arbeitet die Verbrennungskraftmaschine dagegen ohne weitere Kraftmaschine, also ohne Verwertung der Abfallwärme, so wird die Spülluft lediglich aus dem Kurbelgehäuse geliefert. 

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   An die Auspufföffnung 10, die bei dieser Art von Maschinen höher liegt als die Eintrittsöffnung 7, daher vom Kolben auch früher geöffnet wird, ist der Verdampfungskühler (Fig. 2 und 4) angeschlossen, bestehend aus einem ein-oder mehrteiligen zylindrischen Behälter 11, der beispielsweise durch den oberen Deckel 12 und den unteren Deckel 13 abgeschlossen ist. An den Mantel des   Behälters   ist angegossen oder angeschweisst der Stutzen   14,   dessen herausragendes Ende an den Auspuffstutzen des Zylinders 5 angeschraubt ist. Das in den   Behälter 11 hineinragende   Ende ist hingegen mit dem Schlangenrohr 15 entweder verschraubt oder verschweisst.

   Soll   nun     ! l1 der Maschinensatz Druckluft   aus dem Verdichter   2   für beliebige Zweckeliefern, mithin die Verbrennungskraftmaschine 5   ohne weitere Kraftmasehinearbeiten,   so wird im ersten Fall (Schraubverbindung) ein einfacher Auspufftopf dadurch geschaffen, dass nach Abschrauben der Hülse 27 das Schlangenrohr aus dem Behälter entfernt wird, wogegen im zweiten Fall   (Schweissverbindung)   der   Verdampfungskühler   als wassergekühlter, schalldämpfender Auspufftopf wirkt. 



   Arbeitet der Maschinensatz unter Heranziehung der Spülluft aus dem   Gebläse 2   mit Verwertung der   Abfallwärme,   so wird der schädliche Raum zur Vermeidung allzu hohen Verdichtungsdruckes etwa durch Unterlegen von Blechen unter die Zylinderflanschen vergrössert ; durch Herausnehmen dieser Blechbeilagen und Abschaltung des Druckrohres des Verdichters 2 von der Maschine 5 kann der normale Betrieb mit   Kurbelgehäusespülung   wiederhergestellt werden. 



   An der Innenseite des Schlangenrohres 15 befindet sich einen gleichfalls schraubenförmig gewundenes Metallband 16 (Fig. 4 und 5), das zusammen mit der Wandung des Sehlangenrohres eine Rinne für das aus dem Kühlmantel des Maschinenzylinders durch das Röhrchen 17 abfliessende Kühlwasser bildet.

   Diesem Wasser steht gemäss Fig. 5 zunächst als Heizfläche das rechte (innere) obere Viertel des Rohrumfanges zur Verfügung, ferner das rechte (innere) untere Viertel des Rohrumfanges, nachdem das Metallband 16 an dem Schlangenrohr 15   entweder durch Punktschweissung befestigt   ist oder bloss durch Federung anliegt, so dass das Kühlwasser durch den schmalen Spalt zwischen beiden fein verteilt durchsickert, das innere untere Viertel des Rohrumfanges benetzt und - falls noch nicht zur Gänze verdampftals   Tröpfchen.   18 auf die trockene obere Fläche der darunter befindlichen Windung des Schlangenrohres herabfällt, worauf es entweder dort restlos verdampft oder nach rechts in die Rinne   zurückfliesst.   



  Infolge der grossen Heizfläche und feinen Verteilung des Wassers wird ein Mindestmass an Wasser mitgerissen, also sehr trockener Dampf gewonnen, der fast ausschliesslich an der inneren Fläche des Schlangenrohres erzeugt und an der äusseren Fläche vollends getrocknet und allenfalls auch überhitzt wird.

   An dieser Fläche werden ferner jene Tröpfchen 18 verdampfen, die nächst dem Scheitelpunkt des Rohrumfanges herabfallen und durch den zwischen den Rohrwindungen   durchströmenden   Dampf auf die aussenliegende   Oberflächenhälfte   des Schlangenrohres   hinausgedrängt wurden.   Aber auch die unbenetzt bleibenden Teile der aussenliegenden Fläche des Schlangenrohres wirken insofern mittelbar als Heizfläche, als die dort zweifellos auftretenden örtlichen Überhitzungen die Verdampfung beschleunigen, so dass der Zustand des   trockengesättigten   Dampfes erhalten bleibt. 



   Neigt das Wasser zur Bildung von Kesselstein, so ist der Punktschweissung das bloss federnde Anliegen des Metallbandes 16 nach Fig. 4 und 5 vorzuziehen. Das Metallband, das im entspannten Zustand mit etwas kleinerem Abstand der Windungen und etwas grösserem   Windungdurchmesser hergestellt   ist, als das Schlangenrohr   15,   schmiegt sich nämlich nach aussen federnd an dieses an und ruht, da es am unteren Ende fest mit dem Schlangenrohr verbunden ist, gleichfalls federnd mit seiner Unterkante auf der an dem Schlangenrohr   angeschweissten,   oder mit ihm aus einem Stück hergestellten, im Querschnitt etwa dreieckigen Lamelle (Stufe) 19 auf.

   Das untere Ende des Metallbandes 16 kann auch durch ein Gewicht oder eine besondere Feder nach abwärts gezogen und auf diese Weise an einem am Schlangenrohr angebrachten Anschlag zur Anlage gebracht werden. 



   Um auch jenem Fall, in dem zwischen dem Metallband 16 und dem Rohr 15 sowie der Lamelle 19 stellenweise nicht genügend Wasser durchsickert, Rechnung zu tragen, erhält das Metallband eine Reihe enger Bohrungen 20, durch die das Wasser gleichfalls ausfliessen kann. Hiedurch wird auch ein Teil der Innenfläche des Metallbandes als Heizfläche herangezogen. An jenen Stellen, an denen durch den Spalt zwischen Schlangenrohr und Metallband ohnedies genügend Wasser durchsickert, können die Bohrungen durch Metallpfropfen verschlossen werden, um eine möglichst gleichmässige Benetzung der unteren Flächen des   Sehlangenrohres   zu erreichen.

   Die Lamelle 19 hat deshalb einen sich nach unten tangential an den Kreisquerschnitt des Rohres 15 anschmiegenden, ungefähr dreieckigen Querschnitt, damit die aus dem Spalt oder aus den Bohrungen 20 austretenden   Wassertröpfehen   21 nicht gleich von   der Lamelleherabfallen, sondern längs des Umfanges des Rohres herabfliessen. Die beschriebene Anordnung     ermöglicht   die rasche Lösung des Metallbandes 16 vom Schlangenrohr, daher die bequeme Reinigung beider vom Kesselstein. 
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  Eine am Boden dieses   Gehäuses abgestützte   Feder 24 drückt die Ventilplatte 25 auf die   Rohrmündung.   Die Auspuffgase und die   Spülluft   entweichen durch seitliche Öffnungen des Ventilgehäuses 22 in den Behälter   11,   wo sie sich mit dem Wasserdampf vermengen, um durch das Abströmrohr 26 gemeinsam 

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 einer für Druckgasbetrieb geeigneten Kraftmaschine, also einer   Dampfmaschine,   Turbine oder einem Hammer oder einer Ramme zugeführt zu werden. Die reichliche Federung des Schlangenrohres vermeidet vollkommen alle Schwierigkeiten, die sich sonst bei Heizrohren infolge Wärmeausdehnung hinsichtlich der Abdichtung ergeben. 



   Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende :
Wie in Fig. 2 ersichtlich, wird bei   Abwärtsbewegung   des Kolbens 6 zuerst die Auspufföffnung 10 freigegeben, die Auspuffgase strömen durch Stutzen 14 in das   Schlangenrohr   15 und stossen das darin zurÜckgebliebene Gasluftgemisch durch das Ventil 22 aus. Die aus dem Zylinder 5 austretenden heissen Auspuffgase werden nun beim   Durchströmen des Schlangenrohre durch   die bloss auf die innenliegenden Flächen wirkende Wasserkühlung im Verein mit der Fliehkraftwirkung der   schraubenförmigen     Sttömungs-   bahn äusserst rasch abgekühlt, indem die kälteren Gasteilchen nach aussen streben und von doit die 
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Schlangenlinie verlaufende Gasbewegung hinzutritt.

   Der Rauminhalt der Rohrschlange soll mindestens   zwei-bis dreimal so gross sein als der Inhalt de Zylinders J. Die Trägheitswirkung der durch das Schlangen-   rohr   ausgestossenen   Gassäule erzeugt zusammen mit der Abkühlung einen Unterdruck im Zylinder gegen- über dem Behälter 11. Ist die Drehzahl der Maschine hoch und das Schlangenrohr 15 genügend lang, so kann das RÜckschlagventil entfallen, weil die Auspuffgase in der kurzen Zeit, die von der Freigabe der   Auspufföffnung   10 bis zum Schliessen der Einströmöffnung 7 verstreicht, von dem Gegendruck nur um einen Teil der Länge des Schlangenrohres   zurückgedrängt   werden können und sich überdies bei dieser   rückläufigen   Schraubenbewegung weiter abkühlen, also zusammenziehen.

   Das Rückströmen der Aus-   puffgase   lässt sich unter Ausnutzung der Schwingungserscheinungen der Gassäule im Schlangenrohr 15 durch entsprechende Bemessung dieses Rohres unter   Berücksichtigung   der Eigenschaften der Maschine weiter verzögern. Die den Auspuffgasen unmittelbar nachströmende Spülluft erwärmt sieh an den heissen
Wänden des Zylinders und Schlangenrohres, dehnt sich aus und nimmt teilweise den von den Auspuffgasen eingenommenen Raum ein. Die Auspuffgase übertragen demnach ihre Wärme teils unmittelbar an die abwechselnd mit ihnen durch das   Sehlangenrohr   15 strömende Luft, teils mittelbar durch die
Rohrwand hindurch an das Kühlwasser und den Dampf. 



   Die in vorliegender Ausführungsform veranschaulichte   Ölkraftmasehine,   bei der der Kolben 6 selbst nahe seinem unteren Totpunkt die   Einlass-und Auspuffschlitze   steuert, eignet sich für die beschriebene Art der Abwärmeverwertung nicht bloss infolge der Billigkeit und Einfachheit, sondern auch deshalb, weil der Kolben nicht wie bei freiem Auspuff bloss bis zur Oberkante der Auspuffschlitze, sondern durch den Druck der Spülluft bis in die untere Totlage getrieben wird. Von da an bis zum Abschluss der Einströmsehlitze 7, allerdings bei sehr geringem Gegendruck, setzt bereits die Verdichtung ein.

   Sonst aber leistet eine solche Verbrennungskraftmaschine ohne jede Hemmung mechanische Arbeit ebenso wie die Druckgasmaschine und erfüllt überdies die Aufgabe, die bei der Gasturbine dem   Gemischerzeuger   und Verbrennungsraum zufällt, wobei aber noch die im Kühlwasser enthaltene Wärme ausgenutzt wird. 



  Dadurch, dass die gesteigerte Menge der verdichteten Spülluft unmittelbar dem Schmieröl in der Ver-   brennungskraftmasehine   die   gefährliche   Spitzenerwärmung entzieht, kann im Zylinder mehr Leistung erzeugt und eine   grössere Menge Auspuffgase   gewonnen werden wie bisher. 



   Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen   Maschinensatz   für Bauzwecke, der entweder ohne Druckgasmaschine zum Antrieb des mit ihm gekuppelten, reine Luft liefernden Verdichters 2 verwendet wird. oder aber gemischtes Treibgas für eine Dampframme oder einen Drucklufthammer und etwa nur nebenbei mechanische Arbeit zu liefern hat, daher einen Sammelbehälter 11 von grossem Rauminhalt benötigt.

   In Fällen, in denen es sich jedoch lediglich um die Abgabe mechanischer Arbeit bei höchster Brennstoffausnutzung handelt, wird die Verbrennungskraftmaschine   zweckmässig   mit der nach Bedarf   umsteuerbaren   Druckgaskraftmasehine gekuppelt und das Schlangenrohr 15 zweckmässig um den Zylinder der   Druekgasmasehine   angeordnet. so dass der Behälter 11 für diesen Zylinder den wärmeisolierenden Heizmantel bildet. Hiedureh wird eine ähnliche Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades erreicht wie beispielsweise bei jenen Lokomobilen, bei denen der Zylinder im Dampfdom des Kessels eingebaut ist.

   In diesem Fall ist es vorteilhaft, den Mantel 11 des Behälters unter den unteren Zylinderdeckel der Druekgasmasehine zu verlängern und in diesem Raum an der Kolbenstange dieser Maschine einen zweiten Kolben anzubringen, wodurch eine Spülpumpe entsteht. Diese kann auch als selbständiger Verdichter oder nach'Umstellen der Steuerung als erste   Druekstufe   dienen, sofern die Druekgasmasehine von der Verbrennungskraftmaschine ohne Verwertung der Abfallwärme normal angetrieben und als Verdichter benutzt werden soll. Eine solche Anlage ist infolge der geringen gleichzeitig anwesenden Wassermengen   explosionssieher.   

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Claims (1)

1. PATENT-ANSPRÜCHE : EMI3.2 <Desc/Clms Page number 4> verlassenden Verbrennungsgase in einem zugleich als Überhitzer und als Speicherbehälter dienenden Verdampfungskühler (11) das Treibgasgemenge für eine Druckgaskraftmaschine in der Weise bereiten, EMI4.1 gasgemisch zunächst durch unmittelbare Innenkühlung der Zylinderwand den Kühlwasserbedarf der Verbrennungskraftmaschine auf eine durch die Abfall wärme noch restlos in Dampf verwandelbare Menge vermindert, dann einerseits durch von den Verbrennungsgasen vorgewärmte, anderseits durch von dem aus der Verbrennungskraftmaschine erwärmt abfliessenden Kühlwasser gekühlte Kanäle (16) strömt,

   wobei sich die Luft oder das Gemisch infolge der den eigenen Druck steigenden Erwärmung ausdehnt und jenen Raum einnimmt, der durch die Massenträgheit der vorher ausgepufften Verbrennungsgase sowie deren plötzliche Abkühlung frei geworden ist.

   2. Einrichtung nach Anspruch], dadurch gekennzeichnet, dass an den Auspuffstutzen (14) einer bekannten, vom eigenen Kolben gesteuerten Zweitaktmaschine mit Glühkopfzündung, die durch in der Kurbelkammer verdichtete oder von einem besonderen Verdichter (2) geförderte Druckluft gespült wird, ein Verdampfungskühler (Fig.

   4 und 5) angeschlossen ist, der aus einem Behälter (11) mit einem EMI4.2 Kühlwasser (j !/) an der innenliegenden Aussenfläche gekühlt wird, so dass die innere Wandung des Schlangenrohres einerseits die Wärme der durchströmenden Verbrennungsgase aufnimmt, um sie unmittelbar der sogleich nachströmenden Spülluft mitzuteilen, anderseits mittelbar durch die Wandung des Rohres (15) an das aussen fliessende Kühlwasser überträgt, um es zu verdampfen.

   3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Schlagenrohres (15) durch ein Rückschlagventil (25) abgeschlossen ist, das sich öffnet, wenn die aus der Verbrennungskraftmaschine (5) auspuffenden Verbrennungsgase den Inhalt des Schlangenrohres aus- stossen, dieses dagegen abschliesst, wenn in dessen Innerem der Druck nach Beendigung des Auspuffs und AbkÜhlung der Verbrennungsgase unter jenen im Behälter (11) bzw. in der Druckleitung sinkt, wogegen das Rückschlagventil (25) bei hoher Drehzahl der Maschine und beträchtlicher Länge des Schlangenrohres (15) entfallen kann.

   4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Ventilgehäuse (22) des Rückschlagventils das Ende des Schlangenrohres (15) derart befestigt ist, dass eine beschränkte Beweglichkeit infolge der Wärmeausdehnung des Schlangenrohres möglich ist.

   5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite des Schlangenrohres (15) zwecks gleichmässiger und feinster Verteilung des Kühlwassers auf die gesamte Heizfläche ein mit verschliessbaren Bohrungen (20) versehenes Metallband (16) mit wenig Spiel befestigt ist, das zusammen mit der Aussenwand des Schlangenrohres eine Rinne on grosser Heizfläche bildet, aus der das Kühlwasser in feinen Abzweigungen, beispielsweise als Tröpfchen (21) durchsickert, längs des als weitere Heizfläche dienenden, inneren unteren Umfanges des Schlangenrohres herabfliesst, wo.

   EMI4.3 fällt, um dort vollständig zu verdampfen oder in die Rinne dieser Windung zurückzufliessen.

   6. Einrichtung nach den Ansprüchen l bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Schlangenrohr (16) längs dessen Innenumfanges eine nach unten zu tangential in den kreisförmigen Rohrumfang übergehende Stufe angearbeitet oder eine das vorzeitige Herabfallen der Wassertröpfchen verhindernde und deren Überleitung auf den unteren Rohrumfang bewirkende Metallamelle (19) befestigt ist, die dem an seinem unteren Ende mit dem Schlangenrohr fest, jedoch lösbar verbundenen oder an einem Anschlag dieses Rohres durch eine Gewichts-oder Federbelastung angehaltenen, sich an das Schlangenrohr dessen ganzer Länge nach federnd anlegenden Metallband (16) als Auflage dient.

   7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlangenrohr (15) samt Behälter (11) um den Zylinder der selbständigen oder mit der Verbrennungskraftmaschine (5) gekuppelten Druckgaskraftmaschine herum angeordnet ist, so dass der Behälter (11) samt Gasinhalt eine wärmeisolierende, den thermischen Wirkungsgrad der Druckgaskraftmasehine verbessernde Hülle bildet, wobei der Behälter (11), zweckmässig unter den unteren Zylinderdeckel herabreichend, zusammen mit einem auf der Kolbenstange der Druckgaskraftmasehine aufgesetzten Kolben die Spülpumpe abgibt, die auch als selbständiger Verdichter oder als erste Verdichtungsstufe dienen kann,

   wenn die Druckgaskraftmaschine durch Umstellen der Steuerung als Verdichter betrieben wird.

   8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung der Verbrennungskraftmaschine (5) ohne Druckgaskraftmaschine, also bei Verzicht auf die Verwertung der Abfallwärme, der Behälter (11) nach Entfernung der Ventilplatte (25) des Rückschlagventils als schalldämpfender, infolge Kühlung des Schlangenrohres (15) wenig Leistung verzehrender Auspufftopf benutzt oder in einen einfachen Auspufftopf dadurch umgewandelt wird, dass das Schlangenrohr (J) entfernt wird, indem die beispielsweise durch eine aufgeschraubte Hülse (27) hergestellte Verbindung des Schlangenrohres mit dem Stutzen (14) gelöst wird.