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Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschinenanlage, insbesondere zum Antrieb für Strassenfahrzeuge mit einer thermodynamischen Kraftmaschine mit geschlossenem Wärmeträgerkreislauf und einer Brennkammer zur
Erzeugung von Heissgas, das mit dem Wärmeträger in Wärmetausch steht.
Kraftmaschinenanlagen, die ihre Antriebsenergie aus Speichereinrichtungen beziehen, sind an sich bekannt.
Auch wurde bereits versucht, die Antriebsenergie für Wärmekraftmaschinen zum Antrieb von Fahrzeugen in
Form von Kristallisationswärme zu speichern. Wärmekraftmaschinen mit derartigen Wärmespeichern benötigen weder elektrische noch Verbrennungsenergie und können somit ohne Abgasbildung arbeiten, was im Hinblick auf schadstoff-freien Betrieb besonders wünschenswert erscheint. Da die Kapazität derartiger Wärmespeicher keinen unbeschränkten Dauerbetrieb zulässt, ist es notwendig, dass der Antrieb sowohl aus der gespeicherten Energie als auch beispielsweise mittels einer Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Zur Durchführung der sogenannten
Mischantriebe war es bisher gebräuchlich, sich zumindest zweier unabhängiger Antriebe zu bedienen, was einen entsprechend hohen Bau-und Kostenaufwand erfordert.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine integrierte Kraftmaschinenanlage zu schaffen, bei welcher, ohne grösseren Bauaufwand in Kauf nehmen zu müssen, die Anlage unter Benutzung eines flüssigen
Wärmeträgers je nach den äusseren Gegebenheiten sowohl im Wärmespeicherbetrieb als auch auf der Basis gebräuchlicher Kraftstoffverbrennung benutzt werden kann.
Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass die Wärmeversorgung des Wärmeträgerkreislaufes mittels einer Umsteuervorrichtung wahlweise durch Heissgas der Brennkammer oder durch die Wärme eines der
Kraftmaschinenanlage zugeordneten an sich bekannten Wärmespeichers erfolgt.
Dadurch wird eine Kraftmaschinenanlage erhalten, bei welcher die in der Brennkammer zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erzeugten heissen Gase gleichzeitig zur Aufheizung des Wärmespeichers benutzt werden mit dem Vorteil, dass Energie aus dem Wärmespeicher zur Verfügung steht, wenn die Kraftmaschinenanlage in Zeiten besonderer Emissionsgefährdung keine schadhaften Abgase entwickeln dar± Auf den Fahrzeugbetrieb bezogen, hat die erfindungsgemässe Kraftmaschinenanlage den Vorteil, dass das Fahrzeug z. B. während der Nachtstunden mit durch Widerstandsheizung aufgeladenem Wärmespeicher mit dessen Energie ohne Schadstoffabgabe besiedeltes Gebiet verlässt.
Anschliessend wird während der Fahrt ausserhalb der Ballungsräume der Wärmespeicher wieder aufgeladen, so dass bei der Rückkehr in diese Ballungsräume wieder ein abgasfreier Betrieb möglich ist.
In der österr. Patentschrift Nr. 158542 sind zwar Dampfturbinen mit Hochdruckspeicher beschrieben, welche mit einem elektrischen Durchlauferhitzer für das wärmeübertragende Medium versehen sind. Auch gehen aufladbar Speichermittel für Dampfturbinen aus der deutschen Auslegeschrift 1049874 als bekannt hervor. Ein Mischbetrieb im Sinne der Erfindung ist mit derartigen Anlagen jedoch weder beabsichtigt noch möglich.
Die Kraftmaschinenanlage gemäss der Erfindung kann in an sich bekannter Weise aus einer Dampfmaschine mit Läufer und Gehäuse, Kondensator und einem Verdampfer bestehen, wobei der Läufer einen magnetischen Polring antreibt, welcher in magnetischer Kopplung mit einem zweiten magnetischen Polring steht, und worin Kondensator, Verdampfer und Stator eine geschlossene Einheit bilden, die den Läufer und dessen Polring einschliesst. An die Stelle der Dampfturbine kann auch eine Verdrängerkraftmaschine, z. B. eine Kolbenmaschine mit sternförmiger Zylinderanordnung oder eine Kreiskolbenmaschine mit elliptischem Läufer treten.
In den Zeichnungen, welche zwei Ausführungsbeiepiele der Erfindung zeigen, sind Fig. l ein Prinzipschaubild einer erfindungsgemässen Kraftmaschinenanlage mit einer Turbine, Fig. 2 ein Längsschnitt durch den konstruktiven Aufbau einer Dampfturbine gemäss der Fig. 1, Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Teil der Dampfturbine nach der Fig. 2 und Fig. 4 ein Querschnitt durch die Arbeitsräume einer Kreiskolbendampfmaschine.
Der Turbinenläufer --1-- nach der Fig. 1 treibt den umlaufenden Polring --2- eines elektrischen Generators --3-- an. Der Kessel --4-- wird über eine Pumpe-5-mit Kondensat versorgt, welches im
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--6- erzeugtEinspritzsystem --10-- strömt Treibstoff in die Brennkammer--8--und wird zusammen mit der vom Ventilator --9-- geförderten Luft verbrannt. Während der Hauptanteil der somit entstandenen Heissgase durch
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durch den elektrischen Heizwiderstand gegeben, der beispielsweise mit Nachtstrom betrieben werden kann. Das Wärmespeichergefäss-12--wird ausserdem von weiteren Wärmetauschkanälen --15-- durchzogen.
Durch die Ventile--16 und 17--lässt sich der den Kessel --4-- durchsetzende Kreislauf umschalten. In der ausgezogen gezeichneten Darstellung der Ventile wird Frischluft vom Ventilator --9- angesaugt und Abgas ins Freie geleitet. Werden die Ventile jedoch so verschwenkt, wie mit den Bezugszeichen --16'und 17'-- angedeutet, so fördert der Ventilator --9-- Luft oder Abgas durch die Wärmetauschkanäle--15-des Wärmespeichers. Luft oder Gas übernehmen die Funktion des Wärmeträgers, der dem Inneren des
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Wärmespeichers Wärme entzieht und dem Kessel --4-- zuführt.
Sobald die Umschaltung auf Brennerbetrieb erfolgt, werden die Ventile wieder in die Stellung--16 und 17--geschwenkt, so dass das Heissgas sowohl zur Beheizung des Kessels--4--als auch zur Wiederaufladung der Wärmespeichermasse --13-- herangezogen wird.
Da die technisch verwertbare Enthalpie aus der Summe der Atomentropie errechenbar ist, haben Verbindungen der ersten Periode des periodischen Systems die höchsten freien Enthalpien. Als Wärmespeichermasse sind deshalb kristalline Verbindungen mit einer Kristallisationstemperatur von möglichst oberhalb von 5000C zu wählen, deren Atome der ersten Periode angehören.
Einen möglichen konstruktiven Aufbau einer erfindungsgemässen Turbine zeigt die Fig. 2. Der Turbinenläufer--l--bildet mit dem umlaufenden Polring--2--eine hochtourige umlaufende Einheit.
Beide Teile haben eine gemeinsame Lagerbüchse--20--, die auf dem als Achse dienenden Rohr --21-umläuft. Der Dampf wird im umlaufenden Kessel--4--erzeugt, dieser wirkt beim Umlauf gleichzeitig als
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l, Bezugszeichen--9--)Rohre --25-- passiert haben, in den Abgassammelraum --26-- ein. Der Dampf wird im Ringraum-27- gesammelt und tritt durch die Düse --28-- auf den ersten Schaufelkranz des Turbinenläufers --1--. Nachdem der Dampf die Turbine-l-verlassen hat, tritt er in den ringförmigen Sammelraum --29-- und dann in die nur einseitig geöffneten Kondensatorrohre--30--, die wieder mit in Rotationsebene liegenden ringförmigen Rippen --31-- eine Einheit bilden.
Die zur Abkühlung dienende Aussenluft tritt, wie durch den pfeil --32-- angedeutet, axial in den umlaufenden Kondensator --6-- ein und verlässt nach Erwärmung
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(Fig. 3).Rohr --39-- gelagert. Das Rohr --39-- trägt auch den Stator --36-- des elektrischen Generators - -3--. Das Rohr--39--ist mit einem nicht gezeigten Unterstützungselement verbunden.
Zum Anlassen wird die hermetisch gedichtete, umlaufende Einheit in Umdrehung versetzt, wodurch sie die Funktion des Brennluftventilators--9--und des Frischluftventilators--7-übernimmt. Durch eine nicht gezeigte Pumpe --5-- wird das Kondensat in die Rohre--25--des rotierenden Kessels gepresst, wo die Verdampfung stattfindet. Durch den Dampfdurchsatz gelangt der Turbinenläufer--l--und der umlaufende Polring--2--in schnelle Umdrehung. Im Generator--3--wird elektrischer Strom erzeugt. über die Leitradbeschaufelung erhält das hermetisch gedichtete, umlaufende System einen Reaktionsdrehmoment, welches die langsame Drehung des Systems aufrechterhält.
Die zum Antrieb des langsam laufenden Teiles abgezweigte
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folgt :zahl-Kennlinien der Ventilatoren-7 und 9-und dem vom Polring --2- auf den Stator-36- übertragenden Drehmoment ein Gleichgewicht ein, so dass nunmehr der stationäre Betrieb beginnt. Die Doppelspirale-33-bildet einen Diffusor, in dem Austrittsgeschwindigkeitsenergie der Frischluft zurückgewonnen wird. Die Austrittsgeschwindigkeit am Kondensatorluftaustritt --37-- (Fig.3) sollte möglichst niedrig liegen. Beim Einsatz der Turbine als Fahrzeugantrieb, z. B. für Automobile, sollte sie etwa der Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechen, wobei es günstig ist, wenn die Kühlluft mit gegen die Fahrtrichtung weisender Komponente austritt.
Die Lagerung der Lagerbüchse-20-auf der Achsbüchse --21-- erfolgt im Betrieb über ein Gaskissen, das dadurch entsteht, dass Dampf aus dem Ringraum--27--in den Lagerspalt hineingeleitet wird. In gleicher Weise erfolgt die Lagerung des umlaufenden Polringes-2-gegen die Trennwand--35--. Auch die berührungslose Abstützung der Trennwand--35--gegen den Stator--36erfolgt durch ein Gaskissen, wobei dieses Gaskissen in an sich bekannter Weise durch Spiralrillen aufgebaut werden kann.
Die Wärmespeichermasse --13-- ist in einem ringförmig ausgebildeten, isolierten Gehäuse--12-- untergebracht, welches mit einer Superisolation isoliert ist. Das Gehäuse --12-- kann auch von zwei Wandungen umgeben sein, zwischen denen keramische Schüttstoffe eingelegt und die dann evakuiert werden. Das Innere des Gehäuses --12-- ist von radialen Kanälen durchsetzt, die durch eine erste Anzahl von Durchbrüchen --45-- und eine zweite Anzahl von Durchbrüchen --46-- mit dem Brennkammerraum kommunizieren.
Die Durchbrüche--45--können durch einen Drehschieber --47-- verschlossen werden,
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während dem Verschluss der Durchbrüche --46-- ein axial verschieblicher Ring--48--dient. Ein elektrischer Heizwiderstand--14--ist im unteren Bereich des Gehäuses --12-- angeordnet.
Soll die Turbine durch gespeicherte Energie angetrieben werden, so werden die Durchbrüche--45 und 46-- geöffnet. Der als Ventilator wirkende, umlaufende Kessel --4-- erzeugt eine Luftströmung, die, wie die pfeile -49-- zeigen, den Wärmespeicher durchsetzt und damit die Wärme aus dem Speicherinneren auf die Rippen--24--des Kessels--4--überträgt. Bevor das Einspritzsystem --10-- in Betrieb genommen wird, werden die Durchbrüche --45 und 46--teilweise verschlossen.
Durch einen engen Spalt-50--dringt ein Teil der Heissgase in den Durchbruch --45-- ein und bewirkt eine Aufladung der Wärmespeichermasse - -13--, so dass nach erfolgter Wiederaufladung die Turbine ihre Energie wieder aus dem Wärmespeicher entziehen kann. Während des Brennerbetriebes treten die Abgase durch die Durchbrüche -51-- in den Spiralraum des Spiralgehäuses --33-- ein und vermischen sich dort mit der den Kondensator-6verlassenden Frischluft--32--und erhöhen die Austrittsenergie an den Spiralgehäusen-Austritten--37--, so dass ein Teil dieser Austrittsenergie als Schub zurückgewonnen werden kann.
An Stelle der Dampfturbinen nach den Fig. 2 und 3 zeigt die Fig. 4 einen Kreiskolbenmotor. Der elliptisch ausgebildete Verdränger --40-- rotiert um die Exzenterachse --41--, die ihrerseits im festen übersetzungsverhältnis zu dieser Rotation um die Maschinenachse--42--rotiert. Hiedurch gleitet der Verdränger-40-entlang der Begrenzungskurve des Stators-44-. In der Maschine gemäss Fig. 2 tritt der Stator an die Stelle der Leitschaufeln --34-- und der Verdränger --40- an die Stelle des Turbinenläufers
PATENTANSPRÜCHE ;
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Kraftmaschinenanlage, insbesondere zum Antrieb für Strassenfahrzeuge mit einer thermodynamischen Kraftmaschine mit geschlossenem Wärmeträgerkreislauf und einer Brennkammer zur Erzeugung von Heissgas,
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Umsteuervorrichtung (16,17) wahlweise durch Heissgas der Brennkammer oder durch die Wärme eines der Maschinenanlage zugeordneten, an sich bekannten Wärmespeichers erfolgt.
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