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Betriebsverfahren für Kraftanlagen, die aus einer Verbrennungsmaschine und einer
Dampfmaschinebestehen.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, bei einer aus einer Verbrennungs- und einer Dampf- maschine bestehenden Kraftanlage, bei der der Anteil der Dampfmaschinenarbeit etwa gleich oder grösser als der Anteil der Verbrennungsmaschinenarbeit ist, einen thermischen Wirkungsgrad zu erhalten, der' etwa gleich dem der reinen Verbrennungsmaschine oder grösser ist. Hiebei sollen grösstmöglichste Betriebssicherheit der ganzen Anlage und wirtschaftlicher Brennstoffverbrauch Voraussetzung sein.
Da unter den heutigen Betriebsbedingungen beim Steigen des Anteiles der Dampfmaschinenarbeit der thermische Wirkungsgrad einer solchen Anlage naturgemäss sinkt, so gilt eine Steigerung der Dampfarbeit für unwirt- schaft1ich. Die Erkenntnis nun, dass hochgespannter Dampf von einer Spannung von über 30 Atm. bestimmte Vorteile bringt, liess das gestellte Problem doch noch für lösbar erscheinen, wenn es gelang, hochgespannten Dampf gleichzeitig mit der Verlustwärme der Verbrennungsmaschine vorteilhaft auszunutzen Demgemäss wird nach der Erfindung der Hochdruckstufe einer mehrstufigen Dampfmaschine hochgespannter Dampf von mehr als 20 Atm.
Spannung und der zweiten Stufe dieser Maschine zusätz- licher Dampf von einer dieser Stufe entsprechenden Spannung zugeführt, der durch die Verlustwärme im Kühlmantel der Verbrennungsmaschine erzeugt wird. Dabei wird der der Hochdruckstufe der Dampfmaschine zuzuführende Dampf von der Verbrennungsmaschine unabhängig, nämlich in einem Kessel mit eigener Feuerung erzeugt. Hiedurch wird der Druck im Kühlmantel unabhängig vom Dampfkessel- druck und der erstere wird nur so weit gesteigert, dass die Betriebssicherheit der Verbrennungsmaschine nicht darunter leidet. Der vom Kessel kommende Dampf kann entweder gänzlich der Hochdruckmaschine zugeführt oder ein Teil zur Zwischenüberhitzung verwendet werden.
Eine in der angegebenen Weise arbeitende Kraftanlage stellt eine einfache und zweckmässige Lösung des erwähnten Problemes dar und
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zusammenarbeitet, dass die Arbeitsanteile beider Maschinen sich wie 1 : 2 verhalten, kann eine Gesamtleistung von 7200 PS abgeben. Dabei ist der thermische Wirkungsgrad ebenso gross wie der einer reinen Zweitaktverbrennungsmaschine. Die genannte Verbrennungsmaschine allein würde demgegenüber nur eine Leistung von etwa 2400 PS erzielen. Hiezu kommt der wichtige Umstand, dass bei Betriebsstörungen der Verbrennungsmaschine die Dampfmaschine für sich allein arbeiten und dass die Verbrennungsmaschine durch letztere angelassen werden kann, was insbesondere bei Schiffskraftanlagen ins Gewicht fällt.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem praktischen Beispiel erörtert werden.
Wählt man im Kessel der Dampfkraftanlage einen Druck von 50 Atm. und benutzt ausserdem alle Mittel, die den Arbeitsprozess der Dampfmaschine günstig gestalten können, wie hohe bzw. mehrfache Überhitzung des Frisch- und Zwischendampfes, hohe Luftleere, weitgehende Expansion usw., so kann man mit dem aus dem Dampfkessel kommenden Dampf für sich allein auf einen Wärmeverbrauch von etwa 2000 WE für 1 PSejStd., auf Dampfwärme bezogen, kommen. Je niedriger aber der Wärmeverbraueh der Dampfkraftmaschine an sich ist, umso grösser ist der Einfluss der verwerteten Verlust- wärme der Verbrennungskraftmaschine. Betrachtet man z.
B. einen Viertaktverbrennungsmotor mit einem W rmeverbrauch von 1800 HTEfÜr 1 PSejStd., von dem 750 WE aus der Verlustwärme zur Dampf-
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Der thermische Wirkungsgrad ist hier also immer noch 32'3%, also so hoch wie der einer Zweitaktverbrennungskraftmaschine.
Betrachtet man dagegen eine Kraftmaschinenanlage, deren Dampfteil aus einer erstklassigen Dampfkraftanlage mit dem üblichen Dampfdruck von 15 Atm, und einem Wärmeverbrauch von etwa 2800WE für 1 PSelStd. an Dampfwärme besteht, dann ist der Einfluss der Verlustwärme bei.
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aufwand iür 1 PSejStd. der Gesamtleistung 2623 WE und der thermische Wirkungsgrad nur noch 24'0% gegen 32-3% im ersten FalL
Die zuerst errechneten Zahlen besitzen für eine Kraftmaschinenanlage Gültigkeit, die auch im Kühlmantel den hohen Dampfdruck von 50 Atm. verwendet. Damit ergibt sich bei einem be-
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Verbrennungszylinder betriebssicher herzustellen.
In den Mänteln würde entsprechend dem Dampfdruck von 50 Atm. eine Verdampfungstemperatur von 2630 herrschen, so dass selbst bei allerbester Ausbildung der Zylinder die Temperatur der Kolbenlauffläche etwa 290 betragen würde, wodurch der Laufder Kolben und Kolbenringe stark gefährdet, wenn nicht gänzlich unmöglich gemacht wäre.
Um diesem Übelstande zu begegnen wird daher, wie schon vorher ausgeführt, in den Zylindermänteln der Verbrennungszylinder ein niedrigerer Dampfdruck verwendet, u. zw. wird dieser Dampf von niedrigerer als der Frischdampfspannung zweckmässig einer Zwischenstufe der Dampfkraftmaschine zugeführt. Wählt man z. B. den Dampfdruck im Kühlmantel zu etwa 12 Atm., entsprechendeiner Kühlwassertemperatur von 187 , so wird bei sachgemässer Zylinderkonstruktion die Temperatur der Kolbenlauffläche nur noch etwa 210 sein, eine Gefährdung des Betriebs also nicht mehr eintreten.
Das wirtschaftliche Ergebnis bleibt trotzdem annähernd das gleiche wie bei hohem Dampfdruck im Kühlmantel. Der Wärme verbrauch einer Dampf kraftmaschine für 12 Atm. Frischdampfdruck lässt sich durch die vorerwähnten Massnahmen, hauptsächlich durch den hohen, für die Zwischenüberhitzung zur Verfügung stehenden Kesseldruck, auf etwa 2350 WE für 1 PSe/Std. bringen. Der Anteil dieser geringwertigeren Dampfausnutzung ist jedoch nur ein Bruchteil der gesamten Dampfarbeit. Mit der Verlustwärme von 750 WE für 1 PSe/Std. der Verbrennungskraftmaschine kann eine Dampfarbeit von
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Durch den niedrigeren Dampfdruck ist, wie vorher ausgeführt. eine verhältnismässig niedrige Temperatur der Zylinderlauffläche zu erreichen. Sie lässt sich noch weiter ermässigen, wenn man auch im Verbrennungszylinder den Verbrennungsdruck gegenüber dem üblichen herabsetzt ; denn damit geht der Wärmeübergang an das Kühlmittel herab, und es findet ein Abwandern eines Teiles der sonst in den Mantel übergehenden Wärme an die Abgase statt, aus denen sie leichter zu verwerten ist.
Beide Mittel-die Herabsetzung des Dampfdruckes im Kühlmantel und des Verbrennungsdruckes im Verbrennungszylinder-gestatten die Verwendung der geringsten, praktisch zulässigen Zylinderwandstärke und ergeben dadurch dieniedrigste Beanspruchung der Zylinderwände durch Wärmespannungen.
Rissbildungen werden dadurch mit Sicherheit verhütet.
Weiter hat die Herabsetzung des Verbrennungsdruckes den Vorteil, dass man auch noch mit der Verbrennungstemperatur ohne Schaden im mechanischen Wirkungsgrad herabgehen kann. Das kommt aus folgender Ursache :
Der niedrigere Gestängedruek erfordert kleinere Gestängeabmessungen und damit ergeben sich geringere Reibungsverluste. Sobald aber die indizierte Arbeit, die von der Zunahme der Verbrennungstemperatur während des Verbrennungsvorganges abhängt und die Reibungsarbeit in bestimmtem gleichem Verhältnis stehen, bleibt der mechanische Wirkungsgrad unverändert. Schon jetzt wird für viele Ver- brennungsmasehinen, für die grösste Betriebssicherheit erforderlich ist, z. B. für Schiffsantriebsmaschinen, die Verbrennungstemperatur bei dem hohen üblichen Verrbennungsdruck herabgesetzt.
Der mechanische Wirkungsgrad, der an und für sich schon niedrig ist, wird auf diese Weise noch weiter verringert. Ist dagegen der Verbrennungsdruck niedriger, so kann die Verbrennungstemperatur in gleichem Masse herabgesetzt werden, ohne dass sich der mechanische Wirkungsgrad ändert. Auch hiedurch wird demnach eine weitere Erhöhung der Betiebssicherheit der Verbrennungsmaschine in doppeltem Sinn erzielt.
Der grosse Anteil der Dampfarbeit im Verhältnis zur Verbrennungsarbeit besitzt den weiteren
Vorzug, dass man, was besonders für Schiffskraftanlagen wichtig ist, mit der Dampikraftmaschine das
Anlassen der Verbrennungskraftmaschine und das Manövrieren und Umsteuern besorgen kann. Dieses
Verhältnis ist dann besonders günstig, wenn der Verbrennungsdruck herabgesetzt ist, weil hier der Widerstand beim Andrehen durch den kleineren Gestängedruck bei gleicher Leistung geringer ist als bei Anlagen mit dem hohen üblichen Verbrennungsdrucke.
Die teueren und komplizierten Druckluftbehälter und
Leitungen nebst Zubehör sowie die verwickelten Steuerungseinrichtungen an den Verbrennungszylindern fallen ausserdem fort und auch die durch das plötzliche Abkühlen der heissen Zylinderwände beim Manövrieren entstehenden Wärmerisse werden vermieden.