Wärmekr aftmaschine. Die Wärmekraftmaschinen arbeiten in der Weise, dass ein gasförmiges Arbeitsmittel Wärme teilweise in mechanische Arbeit um setzt. Ein Teil der zugeführten Wärme muss dem Arbeitsmittel wieder entzogen werden; nicht der ganze Betrag an zugeführter Wärme kann als mechanische Arbeit gewonnen werden.
Der thermische Wirkungsgrad der Wärme kraftmaschine ist durch das Verhältnis
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bestimmt, worin Ti die absolute Temperatur des Arbeitsmittels nach der Wärmeaufnahme, Tz die absolute Temperatur nach der Ex pansion bedeuten.
Bei Wärmekraftmaschinen, welche mit Wasserdampf betrieben werden, ermöglicht die leichte Kondensierbarkeit des Dampfes, die Wärmeabfuhr bei befriedigend tiefen Temperaturen zu bewerkstelligen (20-30 C). Die Wärmezufuhr erfolgt bei Temperaturen bis 4500 C. Schwierigkeiten konstruktiver Natur erlauben bis auf weiteres nicht, die Temperatur noch höher zu wählen.
Bei Verbrennungskraftmaschinen geling es, dein Arbeitsmittel eine sehr hohe An fangstemperatur (etwa 1600 C), zu geben; dagegen bedingen konstruktive Erfordernisse, dass die Wärmeabfuhr bei noch hoben Temperaturen erfolgen muss (etwa<B>600'</B> C), so dass in dieser Beziehung die Dampf maschine der Verbrennungskraftmaschine überlegen ist.
Die den Gegenstand der Erfindung bil dende Wärmekraftmaschine arbeitet mit zwei Medien: Z.B. Verbrennungsgase und Wasser dampf, wovon mindestens das eine Treibmittel kondensierbar ist. Erfindungsgemäss dient das kondensierbare Treibmittel neben der Ar beitsleistung durch Expansion gleichzeitig zur Übertragung der von dem andern Treib mittel geleisteten Arbeit auf die Maschinen welle.
In h'ig. 1 und 2 beiliegender Zeichnung sind in schematischer Darstellung eine Ver- brectnungskraftmaschine üblicher Bauart und ein Ausführungsbeispiel einer Maschine gemäss der Erfindung einander gegenübergestellt. Fig. 7. zeigt die Verbrennungskraftma- schine üblicher Bauart mit einem Zylinder G, einem Kolben K, einer Kolbenstange S und einer Kurbelstange P.
Am Zylinder sind drei Ventile angeordnet: Das Einlassventil 1'E für Frischluft, das Ventil VB für die Brennstoff zufuhr, das Auspuffventil Y, Die Maschine nach Fig. 2 arbeitet mit zwei Kolben im gleichen Zylinder; der Kolben gi ist frei beweglich und der Kolben K 2 ist mit der nicht gezeichneten Kurbelwelle ver bunden.
Zwischen dem Zylinderboden und dem Kolben K1 befindet sich der Arbeits raum für die Verbrennungsgage G, während von den beiden Kolben K1 <B>und</B> K2 Wasser dampf D eingeschlossen wird. Der von den Verbrennungsgasen G auf den Kolben Ni ausgeübte Druck wird von diesem auf den Wasserdampf übertragen, welcher im weitern auf den Kolben K2 drückt. Wenn sich in folge der Bewegung der Kurbelwelle der Kolben K2 vom Kolben Ki einwenig entfernt, so vergrössert sich der mit Dampf gefüllte Zwischenraum; der Dampf expandiert.
Nun drücken die Verbrennungsgase den Kolben Ni dem Kolben K2 nach, so dass sich ihr Ar beitsraum ebenfalls vergrössert und sie eben falls expandieren. Die Drücke von Dampf und Verbrennungsgasen stehen immer in einem bestimmten Verhältnis zueinander, welches durch die beiden Seitenflächen des Kolbens Ni gegeben ist; sind wie in Fig. 2 die beiden Kolbenflächen gleich gross, so ist das Verhältnis der genannten Drücke gleich 1/1.
Am Anfang des Arbeitsvorganges be finden sich die beiden Kolben in den durch die Abstände so, so' vom Zylinderboden an gegebenen Stellungen. Der Arbeitsraum der Gase ist mit einem komprimierten, explosiblen Gasgemisch gefüllt; zwischen die beiden Kolben ist durch das Ventil SE Dampf ge geben worden. Sobald nun die Verbrennung des Gasgemisches einsetzt, die entweder durch künstliche Zündung mittelst elektrischer Fun ken oder infolge der Temperaturerhöhung durch die vorangegangene Kompression ver ursacht wird, beginnen beide Kolben sich in Richtung gegen die Kurbelwelle zu bewegen.
Nach einer gewissen Zeit greift ein ge steuerter Anschlag H in den Zylinder hinein und hemmt die weitere Vorwärtsbewegung des Kolbens Ni. Der Abstand des Kolbens Ki vom Zylinderboden ist in dieser Stellung si; inzwischen hat sich der Kolben K.- bis zum Abstands,' vom Zylinderboden bewegt. Während jetzt der Kolben .g', stillsteht und die Gase G durch das Auspuffventil VA ent weichen, vollendet der Kolben K2 seine Vor wärtsbewegung bis zum Abstand si" vom Zylinderboden, wobei der Dampf weiter expandiert und Arbeit leistet.
Wenn hierauf der Kolben K2 durch das Kurbelgetriebe rückwärts bewegt wird, so schiebt er den expandierten Dampf durch das Ventil SA aus dem Zylinder hinaus. Während des Ausstossens des Dampfes wird der Arbeitsraum der Gase durch das Ventil VE mit frischer Luft geladen. Nachdem der Kolben K2 am Ventil SA vorbei geglitten ist, komprimiert er den Dampfrest; sobald dessen Druck auf einen gewissen Wert angestiegen ist, setzt sich auch der Kolben K2 in Rück wärtsbewegung. Nun muss der gesteuerte Anschlag H aus dem Zylinder zurückgezogen werden, damit der Kolben K2 freie Bahn bekommt.
Während sich nun beide Kolben rück wärts bewegen, werden Dampfrest und Luft gleichzeitig verdichtet. Unmittelbar vor der Totpunktlage des Kolbens K2 öffnet sich das Ventil Vr und lässt frischen Dampf zwischen die beiden Kolben einströmen. Dadurch wird der anfängliche Zustand der Maschine wieder hergestellt; nach dem Einführen des Brenn stoffes durch das Ventil VB beginnt der Arbeitsvorgang aufs neue.
Während des beschriebenen Arbeitsvor ganges, insbesondere während der Expansion von Verbrennungsgasen und Dampf, strömt Wärme durch den Kolben Ni hindurch von den Gasen an den Dampf über. Dadurch wird ermöglicht, dass die Gase nach der Expansion mit tieferer Temperatur aus dem Zylinder austreten, als es bei einer Ver- brennungskraftmaschine üblicher Bauart der Fall ist; die Wärme der Gase wird also besser ausgenutzt.und somit eine Steigerung des Wirkungsgrades bewirkt.
Die Abgase können dann noch in bekannter Weise einer Abwärmeverwertung unterzogen werden Mit der beschriebenen Maschine wird eine Verbesserung der Wärmenutzung er reicht, indem Verbrennungs- und Konden sationsmaschine vereinigt sind. Zunächst werden die mechanischen Verluste, sowie Verluste durch Strahlung und Wärmeleitung herabgesetzt. Weiter treten die Abgase mit tieferer Temperatur aus der Maschine aus, als es bei bisher gebauten Verbren nungskraftmaschinen der Fall ist, weil ihnen schon während des Arbeitsvor ganges Wärme entzogen wird, welcher der Dampf aufnimmt.
Diese Wärme wird dem Dampf während seiner Arbeitsleistung zuge führt, weshalb die Zustandsänderung des Dampfes teilweise angenähert isotherm vor sich geht. Die während der isothermen Zu standsänderung zugeführte Wärme wird, so- fort vollständig in mechanische Arbeit umge wandelt und daher besser ausgenützt, als wenn sie, wie bei Abwärmeverwertung nach bekannter Weise, zur Dampferzeugung ver wendet würde.
Thermal machine. The heat engines work in such a way that a gaseous working medium partially converts heat into mechanical work. Part of the heat supplied must be withdrawn from the working medium; not the entire amount of heat supplied can be obtained as mechanical work.
The thermal efficiency of the heat engine is by the ratio
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determines where Ti is the absolute temperature of the working fluid after heat absorption, Tz is the absolute temperature after expansion.
In the case of heat engines that are operated with water vapor, the easy condensability of the steam enables heat to be dissipated at satisfactorily low temperatures (20-30 C). The heat is supplied at temperatures up to 4500 C. Difficulties of a constructional nature do not allow the temperature to be selected even higher for the time being.
With internal combustion engines it is possible to give your work equipment a very high starting temperature (about 1600 C); on the other hand, structural requirements mean that the heat must be dissipated at elevated temperatures (around <B> 600 '</B> C), so that in this respect the steam engine is superior to the internal combustion engine.
The subject of the invention bil Dende heat engine works with two media: Z.B. Combustion gases and water vapor, of which at least one propellant is condensable. According to the invention, the condensable propellant is used in addition to the work performance through expansion at the same time to transfer the work performed by the other propellant to the machine shaft.
In h'ig. 1 and 2 of the accompanying drawings, a compression engine of conventional design and an embodiment of a machine according to the invention are compared with one another in a schematic representation. 7 shows the internal combustion engine of conventional design with a cylinder G, a piston K, a piston rod S and a connecting rod P.
Three valves are arranged on the cylinder: the inlet valve 1'E for fresh air, the valve VB for the fuel supply, the exhaust valve Y, the machine according to FIG. 2 operates with two pistons in the same cylinder; the piston gi is freely movable and the piston K 2 is connected to the crankshaft, not shown.
The working space for the combustion charge G is located between the cylinder base and the piston K1, while water vapor D is enclosed by the two pistons K1 and K2. The pressure exerted by the combustion gases G on the piston Ni is transferred by the latter to the water vapor, which then presses on the piston K2. If, as a result of the movement of the crankshaft, the piston K2 moves away from the piston Ki a little, the gap filled with steam increases; the steam expands.
Now the combustion gases push the piston Ni after the piston K2, so that their working space is also enlarged and they also expand. The pressures of steam and combustion gases are always in a certain ratio to one another, which is given by the two side surfaces of the piston Ni; If the two piston areas are the same size as in FIG. 2, the ratio of the pressures mentioned is equal to 1/1.
At the beginning of the work process, the two pistons are in the positions given by the distances so, so 'from the cylinder base. The working space of the gases is filled with a compressed, explosive gas mixture; between the two pistons steam has been given through the valve SE. As soon as the combustion of the gas mixture begins, either through artificial ignition by means of electrical sparks or as a result of the temperature increase caused by the previous compression, both pistons begin to move towards the crankshaft.
After a certain time, a controlled stop H engages in the cylinder and inhibits the further forward movement of the piston Ni. The distance between the piston Ki and the cylinder base is si in this position; in the meantime the piston K. has moved up to the distance 'from the cylinder base. While now the piston .g ', stands still and the gases G soft ent through the exhaust valve VA, the piston K2 completes its forward movement up to the distance si "from the cylinder base, the steam continues to expand and work.
When the piston K2 is then moved backwards by the crank mechanism, it pushes the expanded steam out of the cylinder through the valve SA. While the steam is being expelled, the working space for the gases is charged with fresh air through the valve VE. After the piston K2 has slid past the valve SA, it compresses the steam residue; as soon as its pressure has risen to a certain value, the piston K2 also starts moving backwards. The controlled stop H must now be withdrawn from the cylinder so that the piston K2 has a free path.
While both pistons move backwards, steam and air are compressed at the same time. The valve Vr opens immediately before the dead center position of the piston K2 and allows fresh steam to flow in between the two pistons. This will restore the machine to its initial state; After the fuel has been introduced through the valve VB, the work process begins again.
During the work process described, especially during the expansion of combustion gases and steam, heat flows through the piston Ni through from the gases to the steam. This enables the gases to exit the cylinder at a lower temperature after expansion than is the case with an internal combustion engine of the usual type; the heat of the gases is thus better utilized and thus an increase in efficiency is achieved.
The exhaust gases can then be subjected to waste heat recovery in a known manner. With the machine described, an improvement in the use of heat is achieved by combining combustion and condensation machines. First of all, the mechanical losses as well as losses due to radiation and heat conduction are reduced. Next, the exhaust gases exit the machine at a lower temperature than is the case with internal combustion engines built to date, because heat is withdrawn from them during the work process, which the steam absorbs.
This heat is added to the steam during its work, which is why the change in state of the steam is partially approximately isothermal. The heat supplied during the isothermal change in state is immediately completely converted into mechanical work and therefore better utilized than if it were used to generate steam, as is the case with waste heat recovery in a known way.