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Arbeitsverfahren für Verbrennungskraftmaschine und Wärmekraftanlage
Um den Brennstoffaufwand bei der Energieer- zeugung möglichst zu verringern, ist es wichtig, alle Möglichkeiten zur nutzbringenden Verwer- tung der Abwärme auszunützen. Auch ist es gün-
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gase durch möglichst viele Stufen den idealen isothermischen Prozessen anzunähern.
Bei Gasturbinenanlagen steigt der Wirkungsgrad bekannterweise beträchtlich, wenn durch Wärmeaustauscher ein Teil der Abwärme der Abgase nutzbar gemacht wird. Doch begrenzt hier die Wärmefestigkeit der Turbinenschaufeln die Temperatur der Verbrennungsgase und damit den Wirkungsgrad.
Diesel-und'Gasmotoren vertragen infolge des nur kurzzeitigen Verbrennungsvorganges eine hohe Verbrennungstemperatur, doch ist die Verwendung von Wärmeaustauschern für den gleichen Prozess bei bisher bekannten Ausführungen nicht möglich.
Durch die Entwicklung guter Wärmeaustauscher ist neuerdings auch der Heissluftprozess der geschlossenen Gasturbine bei Kolbenmaschinen angewendet worden (z. B. Heissluftmotor von Philips) ; doch ist auch dort die Temperatur der Heissluft viel niedriger als die Verbrennungstem- peratur bei Dieselmotoren.
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Wirkungsgradpi=Druck bei Verdichtungsbeginn.
Wie obenstehende Formel und das p, V-iDia- gramm zeigen, nimmt thor. mit zunehmendem Verdichtungsdruck pg nur mehr wenig zu, aber das Gewicht des Motors steigt stark an. Ebenso muss auf eine weitgehende Expansion verzichtet werden, da einem geringen Arbeitsgewinn der Nachteil'einer sehr viel schwereren Maschine gegenübersteht.
Das grosse Gewicht des Dieselmotors ist durch den hohen Ver, dichtungs- und Zünddruck bedingt.
Dieser Druck herrscht aber nur kurze Zeit, im unteren Teil der Diagrammfläche ist der Motor stark. überdimensioniert.
Das Kennzeichen einer Strömungsmaschine (z.
B. Gasturbine) ist die höhere Drehzahl und das niedrige Gewicht je Leistungseinheit. Sie kommt besonders dort in Frage, wo grosse Volumina des durchströmenden Mediums und niedere Drucke herrschen. Eine fast vollständige Entspannung ist daher möglich.
Erfindungsgemäss wird ein hoher Wirkungsgrad und ein geringes Gewicht je Leistungseinheit dadurch erreicht, dass für den hohen Druck-und Temperaturbereich ein Kolbenmotor mit neuartiger Arbeitsweise und geringerer Entspannung der Verbrennungsgase gewählt wird. Für den unteren Bereich wird eine Gasturbine eingesetzt und , durch Wärmeaustauscher die Abwärme weitgehendst ausgenützt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen Fig. 1 ein p-V-Diagramm für einen normalen Dieselmotor, Fig. 2 eine erfindungsgemässe Wärmekraftanlage in schematischer Darstellung und Fig. 3 ein theoretisches Indikatordiagramm. des Kolbenmotors der Wärmekraftanlage.
Wie nun der Fig. 2 der Zeichnung zu entnehmen ist, wind die Eingangsluft bei A durch die Leitungen 1-5 einem Kompressor zugeführt und in den Stufen K1, K2, K8 auf z. B. 16, 2. ata verdichtet. In den Zwischenkühlern Z, Zg, Zg wird nach jeder Stufe rückgekühlt. Mit zirka 27 C tritt die verdichtete Luft durch die Leitung 6 unld, das V. entiI V1 in, den Zylinder c ein, spült die restlichen Abgase durch das Ventil V2 aus, dessen Steuerzeit sich mit V1 überdeckt. Der Kolben n ist dabei (wie in Fig. 2) im oberen Totpunkt (OT).
Der Zylinder hat beispielsweise ein Volumen von 100 1 mit einem Hubraum V von 951. Da er im zweiten Takt gleichzeitig auch letzte Verdichterstufe des Kompressors ist, werden die restlichen 51 als schädlicher Raum Vs bezeichnet.
Der Zylinder c vertritt im Schaltschema eine Anzahl gleichartiger Zylinder, die zwecks gleichförmiger Arbeitsweise wie bei andern Mehrzylinder-
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motoren in bestimmter Reihenfolge arbeiten. Da Gasturbinen für einen. brauchbaren Wirkungsgrad eine bestimmte Mindestmenge an Gas benötigen, ist ein verhältnismässig grosses Gesamtvolumen der Kolbenmaschine bereits mit kleinen Kompressoren und Turbinen zu bewältigen.
Im ersten Takt bleibt das Ventil V1 solange ge- öffnet, dass der Zylinder mit zirka 401 Luft mit 16, 2 ata gefüllt wird. Sobald das Ventil V1 geschlossen ist, beginnt sich die Luft unter Arbeitsleistung und Wärmeaufnahme aus dem heissen Zylinder und Kolben poly tropisch auf 1001 bis zum unteren Totpunkt (UT) auszudehnen. Bei einem Exponenten der Polytrope von zirka 1, 2, erfolgt dabei eine Druck-und Temperatursenkung auf zirka 5, 3 ata und -200 C. Dadurch erfolgt eine gute innere Kühlung und Verminderung der Wärmebelastung des Zylinders.
Im Gegensatz zu dem bekannten Vorgang der Aufladung, ist die Temperatur der Luft bei Beginn des zweiten Taktes, trotz vielfach höherem Druck als vor dem Eintritt in die erste Kompressorstufe, niedriger als vor dem Eintritt in den Zylinder und niedriger als die der Umgebungsluft.
Im zweiten Takt verdichtet der Kolben die Luft von 1001 auf z. B. 201. Es tritt eine Temperatur-und Drucksteigerung auf zirka 2300 C und 50 ata ein. Bei einer diesen Werten entsprechenden Kolbenstellung öffnet das Ventil V3 und der Kolben presst zirka 15 1 Luft durch 7 in den Wärmeaustauscher Wu, who sie auf etwa zo C erhitzt wird und durch 8 in die Brennkammer oder den Lufterhitzer b1 strömt. In b1 erfolgt durch Brennstoffzufuhr oder Erhitzung von au-
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öffnet und es beginnt der dritte Takt.
Der höheren Temperatur entsprechend, strömt durch 9 zirka 30 l Luft-Verbrennungsgas-Gemisch (oder heisse Luft allein) ein und vermischt sich mit den im Zylinder verbliebenen 51 Luft. Bei einer ungefähr 351 entsprechenden Entfernung des Kolbens vom OT schliesst V4. Kurz vorher beginnt die Einspritzpumpe e aus der Leitung 26 einen weiteren Teil Brennstoff in den durch V4 einströmenden heissen Gasstrahl zu spritzen. Infolge der Temperatursteigerung durch den Verbrennungsvorgang bleibt der Druck noch kurze Zeit fast konstant und es folgt eine polytrope Entspannung bis zum UT. Der Druck und die Temperatur sinken dabei auf zirka 18 ata und 8000 C.
Im UT oder kurz vorher öffnet das Ventil v2.
Es beginnt der vierte Takt. Die Verbrennungsgase, die auch noch einen Teil unverbrauchter Luft enthalten, werden durch den Kolben durch 10 in den Aufnehmer oder Zwischenspeicher S gedrückt. Da auch die Spülluft nach S strömt und Verluste durch Drosselung, Wärmeableitung usw. entstehen, ha : ben die Abgase in S nur mehr einen Druck und eine Temperatur von zirka 15 ata und 7000 C. Sie werden durch 11 der ersten Turbine t1 zugeführt und entspannen sich auf zirka 4 ata und 4800 C.
Durch 12 strömen die Abgase in die zweite
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nochmals durch 27 Brennstoff zugeführt wird oder eine Erhitzung von aussen erfolgt. Die Temperatur steigt wieder auf zirka 7000 C und durch
13 der Turbine t2 zugeführt, entspannen sich die
Abgase auf zirka 1,1 ata und 4900 C. Durch 14 kommen die Abgase in den Wärmeaustauscher W1 und geben dort einen Teil ihrer Abwärme an die Eingangsluft ab. m, und m2 sind Anlassmotoren.
Die Gasturbinenanlage hat hier nicht die Funktion einer Abgasturbine, sondern nützt einen gro- ssen Teil der Wärmeenergie aus. Der Kolbenmotor ist hier vielmehr eine gleichzeitig Arbeit lei- stende Verbrennungskammer, die die Verbrennungsgase auf die für die Turbine zulässige Temperatur entspannt und hohe Verbrennungstemperaturen ermöglicht.
Da die Abgase nach dem Wärmeaustauscher
W1 noch eine Temperatur von etwa 3600 C haben, strömen sie durch 15 in den Wärmeaustauscher
Wo der zugleich Austreiber, Gasabscheider und überhitzer einer Absorptionsanlage ist. Darin wird eine geeignete Lösung, z. B. NH3 in H2O, erhitzt, ausgetriebenes NHJ ge3ammelt und über die Austreibungstemperatur des Lösungsmittels überhitzt. Abgekühlt auf zirka 1600 C verlassen die Abgase durch 16 bei B den Kreislauf.
Das überhitzte NH3-Gas wird durch 17 einer geeigneten Turblnenanlage tg zugeführt, wo es sich unter Arbeitsleistung von zirka 14 ata auf etwa 2 ata entspannt. Die Turbine ta kann einoder mehrstufig sein und nach jeder Stufe kann mittels geeigneter Abwärmequellen eine Zwischenerhitzung des teilweise entspannten NH3-Gases erfolgen.
Im Absorber a, in den die entspannten Gase durch 18 geleitet werden, erfolgt durch das gekühlte Lösungsmittel eine neuerliche Absorption.
Die arme und heisse Lösung, von 1\72 durch die Leitung 23 kommend, die eine Temperatur von zirka 1200 C hat, und die kalte, reiche Lösung, von a durch 19 und 20 strömend und mit einer Temperatur von zirka 200 C, tauschen im Wärmeaustauscher W, ebenfalls Wärme aus. Den Kreislauf hält die Lösungsmittelpumpe p aufrecht.
Das Drosselventil d gleicht den Druckunterschied zwischen W2 und a aus. Durch 24 strömt die arme Lösung mit-zirka 600C wieder nach a, wo eine Abkühlung auf zirka 200 C erfolgt. Durch die Leitungen 28, 29, 30 und 31 wird das erforderliche Kühlwasser zugeführt.
Bevor die reiche Lösung mit einer Temperatur von zirka 800 C in den Austreiber und Oberhitzer W2 kommt, strömt sie durch 21 in den Kühlmantel o der Zylinder. Sie kühlt unter eigener Erwärmung die Zylinder und jene Teile, die eine Kühlung benötigen, oder als Wärmequelle dienen können und strömt dann durch 22 mit einer Temperatur von zirka 1100 C in den W2.
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Sind in der Umgebung der Wärmekraftanlage noch andere geeignete Abwärmequellen vorhanden, so können auch diese durch die Absorberanlage zur Energiegewinnung verwendet werden.
Der (oder die) Austreiber oder Lösungsmittelerhitzer ist (oder sind) dann zugleich Kühler jener Anlagen und Vorrichtungen, die als Wärmequellen dienen können. Die Wärmequellen mit nie- derem Temperaturniveau werden dabei am vorteilhaftesten nur zur Erwärmung der Absorberlösung verwendet, die höherwertigen Wärmequel- len aber hauptsächlichst zum Überhitzen der bereits ausgetriebenen Gase oder zur Zwischenerhitzung.
Werden die Brennkammern und durch Gaserhitzer ersetzt, so können teilweise auch feste und minderwertige Brennstoffe verwendet werden. Ebenso kann das Prinzip des Gasmotors angewendet werden, wenn der Eingangsluft ein geeigneter gasförmiger Brennstoff beigefügt wird.
In diesem Fall entfällt die Brennkammer b1 und an Stelle der Einspritzpumpe e erhält der Zylin- der eine Zündkerze. Auch mittels Zündöl wie bei Zündstrahl-Gasmotoren kann gezündet wer- den, falls die Erhitzung angesaugten und ver- dichteten Gemisches genügend hoch ist.
Fig. 3 zeigt das theoretische Indikatordiagramm des beschriebenen Motors. Darin bedeuten : EB und EE Einspritzbeginn und Einspritzende, VÖ und
VS Ventil öffnet und schliesst. Die Flächen unter den Kurven a-3-4-5-b und a-6-7-1-b entsprechen der vom Kolben geleisteten, jene unter a-3-2-1-b und a-6-5-b dagegen der zur Kompression und zum Ausschub der Abgase aufgewendeten Arbeit.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Arbeitsverfahren für Verbrennungskraftmaschine und Wärmekraftanlage, mit Viertakt-Kol- benmotor, Brennstoffeinspritzung oder Zündung mittels Zündkerzen oder einem andern bekannten Zündverfahren, Vorverdichtung der Eingangsluft in einem Kompressor und Entspannung der Abgase in einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass ein grosser Teil der Abwärme der Abgase nach der Gasturbinenanlage, in einem Wärmeaustauscher (W1), die durch eine Kompressoranlage und von den Kolben nach dem ersten, durch das Ventil (V ;
J erfolgten Eintritt in die Zylinder verdichtete Luft, ausserhalb der Zylinder erhitzt, und dass dieser erhitzten Luft, vor dem zweiten, durch das Ventil (V4) erfolgenden Eintritt in die Zylinder, in einer Brennkammer oder in einem Gaserhitzer (b1) Wärmeenergie durch Brennstoffzufuhr oder Erhitzung von aussen zugeführt wird, und die Verbrennungsgase des Kolbenmotors dadurch nur im hohen Druck- und Temperaturbereich im Motor Arbeit leisten, dass die Expansion der Verbrennungsgase auf z. B.
1 : 2, 85 begrenzt wird, so dass die nachfolgende Gasturbinenanlage nicht nur als bereits bekannte Abgasturbine wirkt, sondern einen grossen Teil der Energie der Verbrennungsgase aus- nützt, und dass die restliche Abwärme der Abgase der Gasturbinenanlage nach dem Wärmeaustau- .
scher (W1), mittels eines weiteren Wärmeaustauschers (W2) einer Absorptionskraftanlage zugeführt wird, wobei gegebenenfalls auch zusätzliche Abwärmequellen, in der Wärmekraftanlage selbst oder in der Umgebung derselben, nutzbar gemacht werden können, indem die Abwärme nicht nur in bekannter Weise zum Erhitzen und Austreiben geeigneter Lösungen dient, sondern dass die Abwärme mit höherem Temperaturniveau die ausgetriebenen Gase auch überhitzt und die überhitzten Gase in geeigneten Turbinen direkt Arbeit leisten.