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Kraftmaschinenanlage, die aus einer Verbrennungskraftmaschine und einer mit einer besonderen Feuerung versehenen Datnpfkraftanlage besteht.
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gewöhnlicher Bauart und aus einer Dampikraftanlage bestehen und bei denen man die Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine {Mantel-und Abgaswärme) für die Dampferzeugung nutzbar gemacht hat. Je nach dem Grade der Ausnutzung der Verlustwärme, die bekanntlich über 50 v. H. der dem Verbrennungszylinder zugeführten Wärmemenge ausmacht, hat man damit einen entsprechenden Warmegewinn erzielt, aber einen Einfluss auf die Mängel der Ver- brennungskraftmaschinen nicht auszuüb & n vermocht, sondern im Gegenteil die schon bestehenden baulichen und betrieblichen Schwierigkeiten nur noch erhöht.
Das kam hauptsächlich davon her, dass man in einseitiger Weise nur den Wärmenutzgrad der Verbrennungskraftmaschine auf dem Wege der Vergrösserung des Expansionsgrades bzw. des Verbrennungs druckes weiter zu verbessern versucht hat. Der Gestängedruck ist daher bei allen Verbrennungskraftmaschinen im Veihältnis zur Leistung zu gross geworden, der mechanische Wirkungsgrad ist ein schlechter und de Herstellungskosten sind unverhältnismässig hoch.
Weiters lässt die Betriebssicherheit,
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Wärmemenge für die Dampfkrnftanlage gut ausnutzen will, so treten diese Nachteile in erl1öhtem Masse auf. Eine erhebliche Steigerung der Temperatur des Kühlmittels über 100"'hinaus ist überigensohneGefhrüberhauptnichtzulässig.
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zulässige Höhe steigern zu können.
Die Herabsetzung des Expansionsgrades bzw. des Verbrennungsdruckes im Verbrennungszylinder ergibt bei gleicher Verbrennungstemperatur eine Verminderung des Wfirmcnutzgrades der Verbrennungskraftmaschine, eine Erhöhung der Temperatur der Abgase und eine gesteigerte Betriebssicherheit. Von dem Expansionsgrade, worunter hier das Verhältnis von Verbrennungs- druck und Ansaugedruck gemeint ist, und vom Verbrennungsdruck der arbeitenden Gasmenge hängen bekanntlich der indizierte Wärmenutzgrad und der Gestängedruck einer VerbrenwügA. kraftmaschine in erster Linie ab, und zwar derart, dass ein grosser Expansionsgrad einen guten indizierten Wärmenutzgrad, aber einen im Verhältnis zur Leistung ungünstigen Gestängedruck mit sich bringt.
Der Gestängedruck beeinflusst jedoch den mechanischen Wirkungsgrad und damit den tatsächlichen Wärmenutzgrad und die Herstellungskosten der Verbrennungskraft-
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wände, der von der Dichte des Heizmittels und von dem Temperaturunterschied zwischen Heizund Kühlmittel abhängt, durch die Herabsetzung des Verbrennungsdruckes vermindert und die Möglichkeit gegeben, die Zylinderwandstärke zu verringern. Die Rissbildungsgefahr in den Zylinderwänden wird auf diese Weise, wie noch später nachgewiesen werden wird, auch bei
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erzeugung zur Verfügung, so dass dieser kleiner ausfallen kann als sonst.
Als günstig kommt noch hinzu, dass der grössere Teil der Verlustwärme bei höherer Temperatur in den Abgasen enthalten ist, wodurch ihre Verwertung sich viel günstiger gestaltet und es ermöglicht wird, dass der Frischdampf der dampfkraftanlage hoch überhitzt werden kann.
Der gesamte Wärmenutzgrad ist bei einer nach der Erfindung arbeitenden Kraftmaschinen-
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zylinder arbeitet. Die Erfindung beruht nämlich hauptsächlich auf der Erkenntnis, dass der Wärmenutzgrad einer aus einer Verbrennungskraftmaschine und aus einer mit einel besonderen FeuerungversehenenDampfkraftanlagebestehendenKraftmaschinenanlagefürjedesbestimmte Verhältnis von Verbrennungskraftmaschinen- und Dampfarbeit in weiten Grenzen von der Höhe des Verbrennungsdrucke. s fast gänzlich unabhängig ist, wie durch nachfolgendes Beispiel bewiesen wird.
Es werde zu diesen) Zwecke f'ineKrafhuaächinena. nlage gewählt, die aus einer ZweitaktGleichdruck-Verbrennungskraftmaschine und einer Dampfkraftanlage besteht. In dieser Verbindung ist der in der Praxis vorkommende schwierigste Fall gegeben. Eine solche Verbrennungs- kraftmaschine hat einen Expansionsgrad von 1 : 36 bzw. 36Atm. Verbrennungsdruck und ver-
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durch den Brennstoff aufgewendeten Wärme vorhanden. Für die Unterstützung der Dampferzeugung stehen demmach von jeder Pferdestärke der Verbrennungsmaschine in der Stunde 2000 # 0#578 = 1156 WE zur Verfügung. Nimmt man nun an, dass von dieser Wärmemenge infolge der Leistungs- und sonstigen Verlustenur 90 v.
H. nutzbar gemacht werden können und die Dampfkraftanlage ebensoviel leistet wie die Verbrennungskraftmaschine, dann kann man von dem für die Pferdestärke der Dampfkraftanlage in der Stunde erforderlichen Wärmebetrag 1040 WE abziehen. Eine Dampfkraftanlage mit einem Dampfdruck von 20 Atm. und etwa 4000 Dampf. temperatur braucht bei Kondensationsbetrieb etwa 3#5 kg Dampf für 1 PS in der Stunde und da die Erzeugungswärme solchen Dampfes etwa 750 WE für 1 kg beträgt, so ist, auf Dampf bezogen, ein Wärmeaufwand von 2625 WE für 1 PS in der Stunde nötig.
Zieht man hievon
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bezogen, auf 1980 WE.'Für die Leistung von 2 PS in der Stunde sind bei einer solchen Kraft. anlage durch den Brennstoff 2000 + 1980 = 3980 WE aufzuwenden, für die Pferdestärke in der Stunde also 1990 WE, welchem Betrage ein Wärmenutzgrad von 31'7 v. H. entspricht.
Im Gesgenstze hiezu werde eine nach der Erfindung arbeitende Kraftmaschinenanlage in Vergleich gestellt, die z. B. eine Zweitakt-Gleichdruck-Verbrennungskraftmaschine besitzt, die mit einem weswentlich herabgesetzten Expansionsgrade bzw. Verbrennungsdruck arbeitet.
Der tatsächliche Wärmenutzgrad der Verbrennungsskraftmaschine nach der Erfindung sei hier zu 25 v. H. festgesetzt, was bei etwa 15- bis 20fachem Expansionsgrade bzw. 15 bis 20 Atm.
Verbrennungsdruck der Fall sein dürfte. Der mechanische Wirkungsgrad steigt durch diese Massnahme auf etwa 83 v. H., denn der Gestängedruck, auf die gleiche Leistung bezogen, beträgt hier nur etwa 60 v. H. des früheren und der indizierte Wärmegradnutz wird unter diesen Verhältnissen etwa 30 v. H. In der Verlustwärme sind demnach 70 v. H. der durch den Brennstoff aufgewendeten Wärme enthalten und da der Wärmeverbrauch für die Pferdestärke der Verbrennungskraftmaschine in der Stunde 2525 WE beträgt, so sind etwa 1770 WE zur Unter- stützung der Dampferzeugung vorhanden. Bei ebenfalls 90 v.
H. Ausnutzungsmöglichkeit können
1595 We bei gleichem Arbeitsverhältnis wie vorher von dem für die Dampfkraftanlage in Dampf aufzuwendenden Wärmebetrage von 2625 WE für 1 PS in der Stunde in Abzug gebracht werden.
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und der indizierte Wärmenutzgrad 24 v. H. beträgt. Der Wärmeverbrauch der Pferdestärke der Verbrennungskraftmaschine in der Stunde ist hier 3160'WE-Da die Verlustwärme sich hier zu 76 v. H. ergibt, stehen 3160 X 0'76 = 2400 WE zur Dampferzeugung zur Verfügung. Bei gleichen übrigen Werten sind von der Kesselanlage nur noch 2625 - 2160 = 465 WE am Dampfwärme hervorzubringen.
Unter Berücksichtigung des Kesselwirkungsgrades ist der Aufwand an
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1871 WE, entsprechend einem gesamten Wärmenutzgrad von 33'7 v. H.
Nun ist es ja bei dem bisher angenommenen' Leistungsverhältnis zwischen verbrennungs- kraftmaschinen-und Dampfarbeit für eine derartig weitgehende Ausnutzung der Verlustwärme
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hältnis zur Mantelwärme mein oder weniger Kühlwasser zuführt, erhitzt sich dieses annähernd bis auf die dem Kesseldruck entsprechende Sattdampftemperatur oder verdampft teilweise oder gänzlich. Man kann z. B. in gewissen Fällen das schon in einem Abgasvorwärmer oder in dem besonderen beheizten Dampfkessel hoch vorgewärmte Kesselspeisewasser dem Kühlmantel zufuhren und die Mantetwärme nur in Form von Verdampfungswärme abführen.
Bei den Ver-
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die Temperatur des Kühlmittels etwa 100 nicht viel überschreiten, so dass der Dampfdruck im Kühlmittel höchstens l bis 2 Atm. abs. betragen darf, wodurch : er Wärmenutzgrad der Dampfkraftanlage, wie ohneweiters einzusehen ist, noch etwas zurückgeht. Bei höherer Kühlwassertemperatur werden nämlich die Zylinderinnenwände zu heiss und die darin auftretenden Wärmespannungen zu gross.
Das kommt davon her, dass die Wärmeübertragung an die Zylinderwände, auf die Flächeneinheit und Stunde bezogen, Werte erreicht, die weder im Dampfkesselbetrieb 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 Zylinder- wände 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- Gleichdruck- Verbrennungskraftmaschine im Verbrenmmgsraum unter gewöhnlichen Betriebsverhältnissen etwa 260000 WE auf 1 m2 Zylinder- wand in der Stunde über.
Zu deren Ableitung ist in der Zylinderwand selbst ein erhebliches Temperaturgefälle erforderlich. Es beträgt etwa 500 für 1 iw. Wandstärke bei Gusseisen. Ein Zylinder einer Gleichdruck-Verbrennungskraftmaschine von 800 mon Durchmesser erfordert z. B. be ! 36 Atm. Verbrennungsdruck eine Wandstärke von 5'8 cm, so dass zur Wärmeleitung ein Temperaturgefälle von 5#8 # 50 = 2900 zwischen innerer Lauffläche und der Wärme ab-
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und gefährdet die Haltbarkeit der Kolbenringe bei den hohen üblichen Verbrennungsdrücken.
Der hohe Temperaturunterschied in der Zylinderwand und die hohe Temperatur der Zylinderlauffläche sind somit die Hauptursachen, dass die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmantel bisher nicht auf die hohem Kesseldruck (bis 10 Atm. und mehr) entsprechende Siede- temperatur gesteigert werden, bzw. dass das Kühlmittel unter hohem Druck nicht verdampft werden konnte, wodurch allein eine gute Ausnutzung der Verlustwärme namentlich der Mantel. wärme ermöglicht wird. Ja, die vorerwähnten Ursachen gestatten deshalb nicht einmal bei Wasserkühlung die betriebssichere Herstellung von Verbrennungszylindern grosser Zylindereinheitsleistung.
Man hat zwar schon versucht, den Temperaturunterschied in'der Zylinderwand und die Wandinnentemperatur 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 notwendigerweise angegossene oder aufgeschrumpfte Verstärkungen angebracht werden mussten, blieb trotz-
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in der Praxis noch die Folge gewesen.
Die Erfindung bringt in dieser Beziehung eine erhebliche Verbesserung mit sich.
Der Wärmeübergang auf die Zylindcrwand steht, wie schon früher erwähnt, annähernd im Verhältnis zur Dichte des Hcizmittels. Setzt man z. B. den Verbrennungsdruck auf die Hälfte herab, so wird bei gleichem Temperaturunterschied zwischen Heizmittel und Kühlmittel auch der Wärmeübergang auf die Hälfte herabgehen und der Temperaturunterschied in der Zylinderwand wird sich dann nur zu etwa 25ss für 1 cm Wandstärke ergeben.
Da für den halben Ver-
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unterschied in der Zylinderwand auf 290 , bei dem schon früher betrachteten Zylinder von 800 mm Duel'messer auf 2'9 X 25 = 730. Bei gleicher Temperatur der Lauffläche kann man deshalb bei der Kraftmaschinenanlage nach der Erfindung mit der Temperatur des Kühlmittels erheblich höher gehen, und zwar auf 370 - 73 = 297 . Einer Kühltemperatur von 2970 entspricht ein
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sondern man kann damit noch weiter gehen. Je mehr nämlich der Wärmenutzgrad der VerInennungskraftmaschine dadurch herabgeht. um so grösser wird die Unterstützung der Dampfkesselanlage bei der Dampferzeugung und um so kleiner fallen Rost und Heizfläche aus.
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lustwärme betiägt demnach weit mehr als die Hälfte des erforderlichen Dampfes.
Man befindet sit h bei diesen Verhältnissen aber noch lange nicht an de) Grenze. Der Verbrennungsdruck kann,
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wie voher gezeigt, ohne Schaden noch weiter herabgesetzt werden, wodurch die Verlustwärme noch grösser, wird und auch die unabhängig gefeuerte Dampfkesselanlage noch mehr verkleinert werdenkann.
In vielen Fällen wird man zweckmässig, die Leitung der Dampfkraftanlage im Verhältniss zur Gesamtleistung erheblich grosser als die der Verbrennungskraftmaschine machen, und zwar gewöhnlich in jenen Fällen, wo nur vorübergehend eiüe grosse Kraftleistung erwünscht-ist, wie z. B. bei Krieg88chifien, die meistens, mit einer bestimmten Marschleistung und nur in besonderen Fällen bei gewaltsam beschleunigter Fahrt mit grösster Kraftanstrengung arbeiten müssen.
Die Ersparnis an der Grösse der Kesselanlage wird bei jedem Leistungsverhältnis stets dem absoluten Betrage nach, der von der zur Verfügung stehenden Verlustwärme abhängt, bestehen bleiben.
Im vorstehenden ist nachgewiesen worden, dass die Höhe des Verbrennungsdruckes im Verbreunungszylinder auf den Wärmenutzgrad der Kraftmaschinenanlage praktisch bedeutungslos ist. Man kann diesen daher so wählen, dass hinsichtlich der Betriebssicherheit der Verbrennungskraftmaschine und der'gesamten Herstellungskosten die günstigsten Verhältnisse auftreten.
Daraus, ergibt sich die Wirkung, dass eine Kraftmaschinenanlage möglich ist, die aus einer betriebssicheren und infolge des günstigen Gestängedruckes billigen und leichten Verbrennungs- kraitmaschine und einer Dampfkraftanlage mit kleinster, mit besonderer Feuerung versehener Kesselanlage besteht, wohingegen bei den bisher gebauten Kraftmaschinenanlagen dieser Art. eine schwere, teuere und betriebsunsichere Verbrennungskraftmaschine mit ungünstigem
Gestängedruck und eine wesentlich grössere, besonders beheizte Kesselanlage vorhanden ist.
Die Verringerung der an das Kühlmittel übergehenden Wärmemenge und der geringere Expansionsgrad geben bei der Kraftmasohirenanlage nach der Erfindung, wie schon erwähnt, erheblich heissere Abgase (2000 und mehr) der Verbrennungskraftmaschine als sonst. Auch bei Zweitaktmaschinen ist damit Gelegenheit gegeben, den Dampf der Dampfkraftanlage in einem Abgasüberhitzer zu trocknen und auf das höchstzulässige Mass von etwa 400 zu überhitzen.
Die Kesselanlage der Dampfkraftanlage wird bei einer solchen Anordnung infolge des Fortfallens der an den Kesseln angebauten Überhitzer in der Herstellung vereinfacht und ver- billige,
Zweckmässig stellt man die Verbrennungskraftmaschine und die Dampfkraftanlage möglichst nahe beieinander auf, so dass der Abgasüberhitzer dicht bei beiden Maschinen Platz finden kann, wodurch die bei der Leitung der Abgase, und des Dampfes entstehenden Strahlungsverluste zum grössten Teil vermieden weiden. Die Anordnung eines durch die Abgase der Verbrennungs- kraftmaschinen beheizten Überhitzers ist besonders vorteilhaft für grosse Kraftmaschinenanlagen, die mehrere Kessel besitzen. Der Abgasüberhitzer ist dann sozusagen ein Zentralüberhitzer.
Vor derartigen Vorrichtungen hat er den Vorteil voraus, dass ohne besondere Schutzvorrichtungen beim Anheizen ein Verbrennen des überhitzer nicht eintreten kann, da die Temperatur der
Abgase, besonders bei Zweitaktmaschinen mit Spülluftüberschuss, eine gefährlicile Höhe nicht erreicht. Ausserdem besitzt ein solcher Überhitzer den Vorteil, dass für die gleiche zu überragende
Wärmemenge seine Heizfläche entsprechend kleiner ausfällt, weil höhere Gasgeschwindigkeiten angewendet werden können und ein Verschmutzen durch Flugasche und Russ'auch nicht im annähernden Masse wie sonst möglich ist. Bei Schiffen wird die Aufstellung der Verbrennungs- kraftmaschine und der Dampfkraftmaschine fast stets nebeneinander notwendig sein und die
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führen lassen.
Damit ist eine erhebliche Vereinfachung des ganzen Dampfleitungsnetzes verbunden.
Die Anordnung nach der Erfindung ergibt auch eine günstige Selbstregelung der überhitzung für die Dampfkraftanlage. Die Verbrennungskraftmaschine lässt man vorteilhaft stets mit gleicher Belastung arbeiten, wogegen man die Änderung der Gesamtleistung durch die Leistungsregelung der Dampfkraftmaschine vornimmt. Bei geringerer Belastung der Dampfkraftanlage ist daher das Verhältnis der Abgaswärme zur überhitzten Dampfmenge gross und man erzielt dadurch eine hohe Überhitzung. Bei grösserer Gesamtleistung verschiebt sich das Verhältnis immer mehr, so dass in dem Falle, wenn die Leistung der Dampfkraftanlage wesentlich
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entsprechend niedriger wird, was aber für den Betrieb der Dampfkraftanlage meistens erwünscht ist.
Unter Umstanden wird der nach der Erfindung zur Verwendung kommende Verdichtungsgrad bzw. Expansionsgrad nicht ausreichen, um bei Gleichdruck-Verbrennungskraftmaschinen eine Selbstzündung des flüssigen Brennstoffes herbeizuführen. Man muss daher die Luft vor Eintritt in den Verbrennungszylinder vorwärmen, was in einfachster und wirtschaftlichster Weise durch die letzte Wärme der Abgase nach Austritt aus den Abgasverwertungsvorrichtungen oder durch die Feuergase der Kesselanlage vor Eintritt in den Schornstein durch einen Oberflächen vorwärmer geschehen kann. Will man die damit verbundene volumetrische Verschlechterung
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