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Kraftmaschinenanlage, die aus einer Verbrennungskraftmaschine und einer Dampf- maschine besteht.
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lisle arbeitenden Hochdruckdampmaschine besteht, die den aus der Verlustwärme der Verbronnungskraftmaschine, besonders auch den bei der Kühlung der Zylinderwandung gewonnenen
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Setzt man nach der Erfindung den Expansionsgrad bzw. Verbrennungsdruck im Verbrennungszylinder gegenüber dem üblichen herab, dann ist bei gleicher Verbrennungstemperature damu-pme Herabsetzung des Wärmenutzgrades der Verbrennungskraftmaschine, jedoch gleich-
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Schwierigkeiten der Vcrbrennungszylinder zu befürchten sind. Die Herabsetzung des Wärme- nutzgrades bringt eine Vermehrung der Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine hervor, so dass daraus eine grössere Dampfmenge als bei den bisher bekannten Verbrennungskraft- maschinen erzeugt werden kann. Die Vergrösserung der Dampfmenge und. die Steigerung des Dampfdruckes vermehren die Dampfarbeit im Verhältnis zur Arbeit der Verbrennungskraftmaschine erheblich.
Dampfmaschinen sind aber noch immer die einfachsten und betriebssichersten Kraftmaschinen, besonders wenn sie als Turbinen ausgebildet werden können. Ver- mehrte Dampfarbeit im Verhältnis zur Gesamtleistung bedeutet also neben der Verbesserung der Verbrennungskraftmaschine in dem in Rede stehenden Falle gleichzeitig erhöhte Betriebssicherheit.
An Hand eines Beispieles sei vorstehende Behauptung bewiesen. Es werde zu diesem Zwecke eine Zweitakt-Gleichdruck-Verbrennungskraftmaschine mit einem Expansionsgrad von 1 : 36 bzw. 36 Atm. Verbrennungsdruck und einem Wärmeverbrauch von 2000 WE für 1 PS in der Stunde ohne Ausnutzung der Verlustwärme gewählt, denn diese Maschine stellt den schwierigsten Fall der Verbrennungskraftmaschinen vor. Der Wärmenutzgrad dieser Ver- brennungskraftmaschine beträgt dabei 31'6 v. H. und bei 75 v. H. mechanischem Wirkungsgrad wird der indizierte Wärmenutzgrad 42#2 v. H. In der Verlustwärme sind demnach noch 57'8 v. H. der durch den Brennstoff dem Verbrennungszylinder zugeführten Wärmemenge enthalten.
Könnte man 90 v. H. der Verlustwärme ausnutzen, dann stünden 52 v. H. der zugeführten Wärme
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maschine.
Der Gestängedruck einer Zweitakt-Gleichdruck-Verbrennungskraitmaschine mit 10 Atm.
Verbrennungsdruck beträgt, auf gleiche Leistung bezogen, nur etwa 47 v. H. von dem einer gewöhnlichen Gleichdruck-Verbrennungskraftmaschine mit 36 Atm. Verbrennungsdruck. Die Herstellungskosten einer Maschine nach der Erfindung sind demnach, wie leicht einzusehen ist,
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bisher üblichen Expansionsgraden und Verbrennungsdrücken in den Verbrennungszylindern Betriebsschwierigkeiten herbei, weil die Zylinderwände zu heiss werden.
Die Wärmeübertragung an die Zylinderwände erreicht nämlich, auf die Flächeneinheit und Stunde bezogen, ungeheuere Werte, die weder im Dampfkesselbetriebe noch auf anderen technischen Gebieten bei Heizung mit Feuergasen auch nur annähernd üblich sind, wobei noch zu berücksichtigen ist, dass für die Wärmeleitung durch die Zylinderwände das wegen seiner schlechten Wärmeleitzahl für solche Zwecke am wenigsten geeignete Gusseisen aus betriebstechnischen Gründen meistens Verwendung finden muss. Nach angestellten Versuchen gehen z.
B. bei einer Zweitakt-Gleichclruck- Verbrennungskraftmaschine unter gewühnlichen Betriebsverhältnissen etwa 260000 WE auf 1 Wandnäche des Verbrennungsranmes der am höchsten beanspruchten Zylinderstelle in der
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ein erhebliches Temperaturegefälle erforderlich ; es beträgt etwa 500 für 1 cm Wandstärke bei Gusseisen. Ein Zylinder von 500 mm Durchmesser einer Gleichdruck-Verbrennungskraftmaschine erfordert z, B. bei 36 Atm. Verbrelnung. slruck eine Wandstärke von 4 cm, so dass zur Wärmeleitung ein Temperaturgefälle von 4 # 50 = 200 zwischen innerer Lauffläche und der Wärme ableitenden Aussenfläche des Zylinders vorhanden sein muss.
Ein derartig hoher Temperaturunterschied in der Zylinderwand übt aber auf deren Haltbarkeit einen sehr ungünstigen Ein- fluss aus, der sich mit der Zeit in Rissbildungen bemerkbar macht. Wie schon erwähnt, werden die Wände der Verbrennungszylinder jetzt meistens mit Wasser von 60 bis 80"Endtemperatur gekühlt. Die Temperatur der Zylinderflache muss daher bei dem gewählten Beispiel 2000 + 60 bis 800 = 260 bis 280 werden. Eine derartig hohe Temperatur der Lauffläche bildet beinahe
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für die Haltbarkeit der Kolbenringe bei den hohen üblichen Verbrennungsdrücken.
Der hohe Temperaturunterschied in der Zylinderwand und die hohe Temperatur der Zylinderlauffläche sind somit die Hauptursachej), duss es bis jetzt noch nicht möglich gewesen ist, das Kühlwasser im Kühlmantel unter hohem Druck (bis 10 Atm. und mehr) zu verdampfen und den auf diese Weise erzeugten hochgespannten Dampf in einer wirtschaftlich arbeitenden Dampfkraftmaschine neben dem durch die Aba. sc in bekannter Weise erzeugten zu verwenden. Ja, die vorerwähnten Ursachen gestatten deshalb nicht einmal bei Wasserkühlung die betriebs-sichere Herstellung von Verbrennungszylindern grosser Leistungen.
Man hat zwar schon versucht, den Temperaturunterschied in der Zyindeiwand herabzusetzen, indem man das Kühlwasser durch Schwächung der Zylinderwand möglichst nahe an die Zylinderlauffläche heranbrachte, aber ganz abgesehen davon, dass zur Ausgleichung dieser Schwächung der Zylinderwand not-
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zur Dichte des Heizmittels. Setzt man z. B. dem Verbrennungsdruck auf die Hälfte herab, so wird bei gleichem Temperatuunterschied zwischen Heizmittel und Kühlmittel auch der Wärme- übergang auf etwa die Hälfte herabgehen und der Temperaturunterschied in der Zylinderwand wird sich dann nur zu etwa 25 für 1 cm Wandstärke ergeben.
Da für den halben Verbrennungsdruck auch i) ur die halbe Wandstärke erforderlich ist, so sinkt der Temperaturunterschied in do Zylinderwand VOll 2000 bei dem schon früher betrachteten Zylinder von 500 mm Durchmesser auf 2 # 25 = 50 . Die dann noch auftretenden Wärmespannungen in der Zylinderwand sind nicht mehr gefährlich. Bei gleicher Temperatur der Lauffläche kann man deshalb bei der neuen Kraftmasehinenanlage mit der Temperatur des Kühlmittels erheblich höher gehen, und zwar auf 280-50"= 230". Einer Kühltemperatur von 2300 entspricht ein Dampfdruck von etwa 30 Atom. nimmt man nur 20 Atm.
Dampfdruck an, so wird die Temperatur der Lauffläche
211 + 50 = 261 werden, also so hoch wie bei Kühlung mit Wasser von 60 sein. Wählt man den Dampfdruck gleich oder etwas grösser als den Verbrennungsdruck, so kann man mit der Wandstärke bis auf das praktisch geringste Mass heruntergehen, wodurch die Temperatur der.
Zylinderlauffläche noch kleiner ausfällt. Beim Überwiegen des Dampfdruckes über den Verbrennungsdrucktieten im Zylindermantel, a bgesehen von den noeh vorhandenen kleinen Wärme-
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dem Erfindungsgedanken geändert wird.
Die erläuterten Verhältnisse lassen sich am besten an Hand von Diagrammen übersehen.
Fig. 1 stellt z. B. ein theoretisches Druckvolumendiagramm einer Zweitakt-Gleichdruck-Ver- brennungskraft masch ine mit einem Expansionsgrade von 1 : 36 und mit 36 Atm. Verbrennungsdruck der, wogegen Fig. 3 ein solches einer Maschine mit herabgesetztem Expansionsgrad von 1 : 18 und auf 18 Atm. herabgesetztem Verbrennungsdrucke veranschaulicht. Zunächst sei bemerkt, dass beide Diagramme bei 18000 Verbrennungstemperatur zwar nicht die gleichen indizierten mittleren Drücke besitzen (7-5 k/c in Fig. 1 und 6-7 kg/cm in Fig. 3), dass aber die tatsächlichen Leistungen zweier Zylinder von gleichen Abmessungen infolge des günstigen
Gestängedruckes der Maschine mit herabgesetztem Expansionsgrade ungefähr gleich gross sind.
Hieraus folgt, dass die zu kühlenden Zylinderoberflächen auch in beiden Fällen'angenähert gleiche
Grösse aufweisen. Ebenso ist die an das Kühlwasser übergehende Wärme dem absoluten Betrage nach annähernd übereinstimmend, nur ihre Verteilung über die einzelnen Teile der Oberfläche ist eine andere, und zwar bei der Kraftmaschinenanlage mit nach der Erfmdung im Verbrennungs- zylinder herabgesetztem Expansionsgrade bzw. Verbrennungsdrucke eine günstigere. Das Ver- halten ist aus den Fig. 2 und 4 zu ersehen, Es sind dies bekannte Darstellungen des Wärme- überganges, wie sie zuerst für Dampfkessel bekanntgeworden sind.
Die Heizflächen sind als Abszissen, die in der Stunde auf den Quadratmeter in jedem Teil der Heizfläche übergehende Wärme ist als Ordinate aufgetragen und die schraffierten Flächen stellen die gesamte übergehende Wärmemenge dar. \
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brennungskraftmaschine. die in einer Kraftmaschinenanlage nach der Erfindung mit dein DruckVolumen-Diagramm nach Fig. 3 arbeitet. Die Wärmeübertragung hat hier einen Höchstwert von nur etwa 165000}F fiir 1/i2/Std, sie bleibt infolge der langsameren Druck-und Temperaturabnahme zwar höher wie in Fig. 1. die Verteilung ist jedoch gleichmässiger über den ganzen
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technisch günstige Dalupfarbeit im Verhältnis zur Gesamtarbeit vergrössert wird.
Man kann diesex Ernndungsgedanken noch weiter ausbauen, wenn man eine Kraftmaschinenanlage nach der Erfindung mit einer gewöhnlichen Dampfkraftanlage, also mit einer
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eine restliche Dampferzeugung von 30 v. H. zu bemessen. Gegenüber einer gewöhnlichen Dampfkraftanlage von der gleichen Leistung wie die der Verbrennungskraftmascbine werden 80 v. H. an Kessel erspart. Zieht man zum Vergleich eine Dampfkraftanlage heran, die die gesamte Leistung durch Dampf allem hervorbringt, dann beträgt die Kesselersparnis 90 v. H. Hat man z. B. eine Kraftmaschinenanlage von 20000 PS mit reinem Dampfhetrieb, so sind dazu z. B. 20 Kessel erforderlich.
Bei einer Kraftmaschinenanlage, die zur Hälfte aus einer gewöhnlichen Verbrennungs- kraftmaschine ohne Ausnutzung der Verlustwärme und zur Hälfte aus einer gewöhnlichen Dampfkiaftanlage besteht, sind für die gleiche Leistung z. B. noch 10 Kessel erforderlich. Entwirft
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kraftanlage benutzt.
Für den Antrieb von Schiffen ist eine Kraftmaschinenanlage nach der Erfindung besonders
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Dampfkraftanlage noch auf 60 v. H. Bei dieser Leistungsverteilung wird bei einer Anlage von 20000 PS die Verbre : nnungsmaschine 6660 PS hervrobringen, die Dampfkraftanlage dagegen 13340 FS bewältigen, und zwar mit acht kessel.
Die Möglichkeit, zwei verschiedene Brennstoffe verwenden zu können, bietet den Vorteil, dass man mit der Dampfkraftanlage allein weiterarbeiten kann, wenn der Brennstoff'für die Verbrennungskraftmaschine einmal ausgehen sollte. Weiter kommt hinzu, dass eine, Kraftmaschinenanlage nach der Erfindung Ühprlast. bar ist, da von der Kesselanlage eine verstärkte Wirkung erzwungen werden kann, o en eine Kraftmaschinenanlage ohne besonders beheizte Kesselanlage sich in diesem Punkte genau wie eine gewöhnliche Verbrennungskraftmaschine verhält.
PATEXT ANSPRÜCHE :
1. Kraftmaschinenanlage, die aus einer Verbrennungskraftmaschine und einer Dampfmaschine besteht, bei der zur Speisung der Dampfmaschine Dampf'verwendet wird, der aus der Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine, besonders derjenigen der Zylinderwandung, gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsgrad im Verbrennungszylinder und der Verbrennungsdruck gegenüber dem üblichen herabgesetzt wird, aber gleichzeitig der Dampfdruck, gegebenenfalls bis über den Verbrennungsdruck hinaus, derart gesteigert wird, dass durch die Steigerung des Dampfdruckes bzw. der Kühlwassertemperatur und die mit der Herabsetzung des Expansionsgrades verbundene Vermehrung der Dampferzeugung die Dampfarbeit so vergrössert wird, dass die Wärmeverluste der Verbrennungskraftmaschine ganz oder teilweise ausgeglichen werden.
2. Kraftmaschinenanlager, dadruch gekennzeichnet, dass eine Maschinenanlage nach