AT126508B

AT126508B - Verfahren zur Steigerung der Leistung von Gasmaschinen.

Info

Publication number: AT126508B
Authority: AT
Inventors: Friedrich Ing Dr Techn Merkl
Original assignee: Friedrich Ing Dr Techn Merkl
Priority date: 1930-06-13
Filing date: 1930-06-13
Publication date: 1932-01-25

Description

Verfahren zur Steigerung der Leistung von Gasmaschinen.

Besonders Hoehofenwerke wären im Hinblick auf ihre bedeutende Abfallwärme, vor allem in den Gichtgasen, zu den ergiebigsten Energiequellen zu zählen, sofern deren Ausnutzung nicht durch den geringen Heizwert der Abgase stark beeinträchtigt wäre, indem die durch diese betriebenen Gasmaschinen mit geringem Wirkungsgrad arbeiten und schlecht ausgenutzt sind. Überdies sind sie infolge der gleichmässigen Gaslieferung des Hochofen einer namhaften Leistungserhöhung, also Spitzendeckung, nicht fähig.

Dieser Mangel wird durch Heranziehung der billigen Überschussenergie eines Kraftwerkes zur
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zur Aufwertung des treibenden Grundgases (Giehtgases oder Schwelgase) und zum Teil als Heiz-und Reduktionsmittel im Hochofen verwendet wird, wogegen der Sauerstoff während der kurzen Zeit der
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kühlendem Stickstoff und damit die Wärmeverluste der Gasmaschine herabdriickt, die Verbrennung- temperatur auch ohne Steigerung des Verdichtungsdruckes erhöht und in der Zeiteinheit ein Mehrfaches an Brennstoff zu verarbeiten gestattet. Auch der Zusatz des Sauerstoffes erhöht also die Maschinen- leistung sehr bedeutend auf zweierlei Art.

Beide Gase können theoretisch, der Sauerstoff auch praktisch in einer bis zur Verflüssigung verdichtbaren Form, also mit verhältnismässig geringem Kapitalsaufwand, gespeichert werden. Sie sind demnach unter Umständen einem Wasserspeicher überlegen und ergeben die einzige Speichermöglichkeit hydraulisch nicht speicherbarer Wasserkräfte, sofern die Energie des Wasserstoffs ausser in mechanische auch in andere Energieformen, besonders in Wärme, umzuwandeln ist. Ein allfälliger Überschuss an
Sauerstoff ist anderweitig leicht zu verwerten.

Der Verarbeitung reinen Knallgases (2H+0) sind die gebräuchlichen Maschinen nicht gewachsen, sondern sie verlangen die Verdünnung durch ein Grundgas von geringem Heizwert (Hochofengas, Schwel- gas) bzw. durch den neutralen Stickstoff der Verbrennungsluft. Durch verschiedene Kombinationen des Grundgases mit Wasserstoff, Sauerstoff und atmosphärischer Luft können die Brennkraftmaschinen in bekannter Weise in weiten Grenzen und rasch dem jeweiligen Leistungsbedarf angepasst werden.

Die grösste Menge Wasserstoff und Sauerstoff lässt sich aber bei längerer Dauer der Überlastung ohne Ge- fährdung der Maschinen in der Zeiteinheit erfindungsgemäss in der Weise verarbeiten, dass beide Gase mit dem Grundgas in verschiedenen Brennräumen zur Wirkung gelangen, u. zw. im Falle der doppelt wirkenden Einzylindermaschine derart, dass auf der einen Kolbenseite Grundgas und ein starker Zusatz von Wasserstoff mit atmosphärischer Luft verbrannt wird, wobei der Wirkungsgrad der Maschine durch die vom Wasserstoff herrührende Temperaturerhöhung wohl auch infolge Vervollkommnung und Be- schleunigung der Verpuffung gesteigert wird.

Auf der andern Kolbenseite wird das Grundgas allenfalls mit geringem Zusatz von Wasserstoff verwendet ; jedoch wird statt eines beliebigen Raumteiles der Ver- brennungsluft Sauerstoff zugesetzt, so dass in einem Hub mehr Grundgas verarbeitet werden kann, als dies mit gewöhnlicher Luft möglich wäre. Die Überlastbarkeit ist bedeutend grösser als jene durch Auf- laden mit verdichteter Verbrennungsluft, ohne dass die Verdichtung des brennbaren Gemisches auf Kosten der Nutzleistung erhöht werden müsste ; Verbrennungstemperatur und Wirkungsgrad werden erhöht, weil eine geringere Menge des neutralen Stickstoffs zu erwärmen ist.

Bei einfach wirkenden Maschinen erfordert das Verfahren mindestens zwei Zylinder. Bei Vor- handensein mehrerer Maschinensätze empfiehlt es sieh, jeden einheitlich entweder mit Zusatz von Wasser-

stoff oder Sauerstoff zu betreiben. Der Mehraufwand an Grundgas bei den letzteren Maschinen ist mit Hilfe des Wasserstoffs durch Ersparnis bei den ersteren auszugleichen, so dass der Lieferer des Grundgases, z. B. das Hüttenwerk, von der Stromlieferung nicht beeinflusst werden muss, jedoch etwa Ersparnisse an Sauerstoff auf Kosten eben reichlich vorhandenen Wasserstoffs machen kann.

Der Wirkungsgrad der Brennkraftmasehinen kann aber gerade zur Zeit des grössten Bedarfes im Winter noch weiter gehoben werden, wenn grössere Mengen der hoch verdichteten Gase als Ergänzung herangezogen und durch das erwärmt abfliessende Kühlwasser der Maschinen geleitet werden. Die durch Entspannung tief herabgekühlten Gase, besonders der Wasserstoff infolge seiner grossen Wärmeaufnahmsfähigkeit, vermögen einen Teil der Abfallwärme aus dem Wasser in die Maschinen zurückzuführen. Nebenbei braucht die Rüc. kkühlanlage nicht für die grösste Spitzenbelastung bemessen zu werden.

Der für die Elektrolyse benötigte Strom wird beispielsweise in Quecksilberdampfgleichrichtern, aber zumindest auch in einer Synchronmaschine, zweckmässig in einem Einankerumformer, in Gleichstrom verwandelt. Der Umformer läuft zur Zeit vorwiegend induktiver Netzbelastung nur die Gasverdichter treibend, also nahezu leer als Phasenkompensator, kann aber zweckmässig bei Höchstlast von den Verdichtern abgeschaltet und'mit einer Kraftmaschine (Speicherdampfturbine) gekuppelt werden, um als Generator aufs Netz zu arbeiten.

Umgekehrt gestaltet sich die Unterstützung des üblichen Hochofen durch das Kraftwerk wie folgt : Ein Teil des verfügbaren Wasserstoffs wird in Mengen, die in bezug auf die eingeblasene Luft unterhalb der Explosionsgrenze liegen, in den Hochofen eingeblasen und wirkt dort entweder als Brennstoff oder als Reduktionsmittel, in beiden Fällen Kohle sparend. Der in beiden Fällen sich bildende Wasserdampf wird in den oberen Schichten, ähnlich wie im Wassergasgenerator, wahrscheinlich teilweise in seine Bestandteile zerlegt, so dass der abgespaltete Wasserstoff zum zweitenmal, u. zw. in der Brennkraftmasehine, zur Wirkung gelangt. Der Rest des verfügbaren Wasserstoffs wird unmittelbar den Brennkraftmaschine zugeführt und erhöht den Wasserstoffgehalt der Giehtgase.

Sind auch Elektrohochöfen vorhanden, deren Abgase selbst schon sehr viel Kohlenoxyd und ziemlich viel Wasserstoff enthalten, so wird der Wasserstoff zuerst in diese Ofen eingeblasen, u. zw. in die Lichtbogen, wenn zur Zeit hoher Netzbelastung der Heizstrom in bekannter Weise gedrosselt wird, wodurch der Heizwert sowie die Reduktionsfähigkeit des Wasserstoffs, wie bekannt, gesteigert wird. Dem Elektrohochofen werden ausserdem geringe, ausserhalb der Explosionsgrenze liegende Mengen Luft oder-wie bereits bekannt-Sauerstoff zugeführt, so dass durch Verbrennung der entsprechenden Menge Wasserstoff auch bei gedrosseltem Heizstrom die Schmelztemperatur erhalten bleibt. Die Reaktionen des Wasserstoffes können also ähnlich wie im üblichen Hochofen angenommen werden, durch den dann die Abgase des Elektroofens zwecks Heizung bzw.

Reduktion gegebenenfalls geleitet werden können, bevor sie in die Maschinen gelangen, wo sie gemeinsam mit dem unmittelbar zugeführten Rest des verfügbaren Wasserstoffs zur Verbrennung gelangen. Das so entstandene Treibgas würde einen geringen Stickstoffgehalt aufweisen.

Die Speicherung in Form von Gas kann dadurch wesentlich wirtschaftlicher gestaltet werden, dass mit Hilfe des Wasserstoffs in bekannter Weise eine Kohlenstoffverbindung desselben von höherem Heizwert (z. B. Methan) erzeugt und erst dieses in grossen Mengen gespeichert wird.

PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Steigerung der Leistung von Gasmaschinen mit Anreicherung ihrer Treibgase durch auf elektrolytischem Wege gewonnenen Wasserstoff oder Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibgas von geringem Heizwert in einem Brennraum der Gasmaschinenanlage mit durch Überschuss energie gewonnenem Wasserstoff und zur Erzeugung kurzfristiger Spitzenleistung durch teilweisen Ersatz der Verbrennungsluft in einem andern Brennraum der Gasmaschinenanlage mit Sauerstoff und gegebenenfalls auch durch Beschickung der das Treibgas liefernden Ofen mit Wasserstoff angereichert wird.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung bei Maschinen, bei denen in dem einen Brennraum das Treibgas mit starkem Zusatz von Wasserstoff zusammen mit gewöhnlicher Luft, in dem ändern Brennraum das Treibgas allenfalls mit geringem Zusatz von Wasserstoff zusammen mit Luft, die zu einem beliebigen Teil durch reinen Sauerstoff ersetzt wird, zur Wirkung gelangt, entweder in demselben Zylinder auf verschiedenen Kolbenseite oder in verschiedenen Zylindern derselben Maschine oder in verschiedenen Maschinen eines Kraftwerkes erfolgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 für Hochofengas, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff zuerst als Heiz-und Reduktionsmittel in Mengen, die unter der Explosionsgrenze liegen, gemeinsam mit der Luft in den Hochofen eingeblasen wird, wo sich der mit dem Sauerstoff der Erze und der Einblaseluft gebildete Wasserdampf teilweise abermals in seine Bestandteile spaltet, worauf der Wasserstoff zum zweitenmal, u. zw. in der Gasmaschine, ausgenutzt wird, während ein allfälliger Überschuss der Elektrolyse an Wasserstoff dem Treibgas der Gasmaschine unmittelbar beigemengt werden kann.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff zuerst in einen Elektrohochofen geleitet wird, dem gegebenenfalls nur so geringe, <Desc/Clms Page number 3> ausserhalb der Explosionsgrenze liegende Mengen Luft oder Sauerstoff eingeblasen werden, als für die Aufrechterhaltung der Schmelztemperatur notwendig ist, wenn zur Zeit des grossen Strombedarfes der Heizstrom gedrosselt ist, während der unverbrannte Wasserstoff das Erz reduziert und der Rest mit den kohlenoxydhaltigen Abgasen des Elektrohochofens unmittelbar den Gasmaschinen zugeführt oder vorher in einem gewöhnlichen Hochofen als Reduktions-und Heizmittel zugesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Drosselung des Heizstromes für den Elektrohochofen durch den Lichtbogen Wasserstoff geblasen wird, dessen reduzierende Wirkung und Heizwirkung dadurch in bekannter Weise gesteigert wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils überschüssigen Gase, besonders der wärmeaufnahmsfähige Wasserstoff, unter Druck gespeichert, bei Entnahme entspannt und durch das von den Gasmaschinen erwärmt abfliessende Kühlwasser geleitet werden, aus dem die genannten Gase einen Teil der Abfallwärme aufnehmen und bei der nachfolgenden Verbrennung nutzbar machen.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des für die Zersetzung des Wassers erforderlichen Gleichstromes in einem Einankerumformer bekannter Anordnung erzeugt wird, der, zur Zeit starker induktiver Belastung des Netzes leerlaufend oder bloss die Verdichter für die Gase treibend, den Leistungsfaktor verbessert, während der Spitzenbelastung hingegen von den Verdichtern abgekuppelt und gegebenenfalls von einer Kraftmaschine (Speicherdampfturbine) als Stromerzeuger angetrieben wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 6 mit Erzeugung einer hochwertigen Kohlenstoffverbindung (z. B. Methan) aus dem elektrolytisch gewonnenen Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Gas von hohem Heizwert unter Druck gespeichert wird, um zur Heizung, Reduktion und Kraftgewinnung verwendet zu werden.