Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Übertragung von Wärme. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren und auf eine Vorrichtung zur Er zeugung und Übertragung von Wärme.
Zweck der Erfindung ist, die bei der Verbrennung erzeugte Wärme mit hoher Wärmeübergangszahl zu übertragen.
Erfindungsgemäss wird dieser Zweck da durch erreicht, dass die Verbrennung detona- t iv vor sich geht.
Bei den üblichen technischen Verbren nungsverfahren, sowohl bei gleichbleibendem als auch bei verpuffungsähnlich zunehmen dem Druck, erscheint die chemische Energie des Brennstoffluftgemisches unmittelbar nach der Verbrennung als fühlbare Wärme. Die sogenannte klopfende Verbrennung dagegen. welche in Vergasermotoren auftreten kann, ist von starken Massenbewegungen im Gase begleitet, deren Energie mehrere Prozente der Verbrennungswärme beträgt. Die klopfende Verbrennung isst eine detonative Verbren nung.
Der Unterschied der detonativen Ver brennung gegenüber der normalen, deflagra- tiven Verbrennung liegt in der besonderen Art der Energieumwandlung im Gase, der art dass die chemische Energie nicht voll ständig unmittelbar als fühlbare Wärme in Erscheinung tritt. Das Entstehen der Massen bewegungen bei der klopfenden Verbrennung ist ein Beispiel einer solchen Energieaus lösung.
Der Wärmeübergang ist bei detona- tiver Verbrennung sehr gross, weil die Ener gie des Gases, in der Nähe der Wandungs- oberfläche in fühlbare Wärme verwandelt wird und rasch an das feste Material über geht. Die klopfende Verbrennung ist in einem Motor unerwünscht, weil infolge des höheren Wärmeüberganges die gühlwasserverluste grösser sind.
Der Motor verliert dadurch an Leistung, das Kühlwasser wird übermässig erhitzt und die Auspufftemperaturen sind tiefer. Der Erfindungsgedanke ist, den mit detonativer Verbrennung verbundenen höhe ren Wärmeübergang, welcher beim Motor unerwünscht ist, für Zwecke nutzbar zu machen, wo die erzeugte Wärme an Heizflä chen übertragen werden soll, wie beispiels weise , bei einem Dampfkessel. Die detonative Verbrennung findet erfin dungsgemäss in einer mit einer verengten Öffnung versehenen Kammer statt. In der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel der Vorrichtung gemäss der Erfin dung schematisch im Schnitt dargestellt.
An hand derselben wird im folgenden auch das Verfahren gemäss der Erfindung beispiels weise erläutert.
Die gekühlte Verbrennungskammer 1 ist mit einem Kühlmantel 9 versehen@ den das Kühlwasser durch das Rohr 10) zugeführt wird und aus dem es durch das Rohr 11 ab strömt. Die Verbrennungskammer 1 besitzt eine Öffnung 2. Der Öffnung 2 ist eine Mischkammer 3 vorgesetzt. Diese besitzt vor der Öffnung 2 eine Öffnung 4. Zerstäubter Brennstoff wird durch die Leitung 5 in die Mischkammer 3 eingeführt, der durch eine Ringspalte 6 Luft zugeführt wird. In der Mischkammer 3 wird ein Brennstoffluftge misch erzeugt, das durch die Öffnung 2 in die Verbrennungskammer übertreten kann. In letzterer ist eine gelihlte Düse 7 vorge sehen. Das Kühlwasser der Düse 7 strömt durch die Zuleitung 12 zur Düse 7 und durch die Ableitung 13 in den Kühlmantel 9 zu rück.
Brennstoffluftgemisch wird zum Anlas en durch in der Zeichnung nicht dargestellte Mittel in die Kammer 1 eingeführt und ent zündet. Es findet eine normale verpuffungs ähnliche Verbrennung statt. Die Verbren nungsgase werden mit grosser Geschwindig keit durch die Öffnungen 2 und 4 in die Atmosphäre hinausgestossen. Gleich nach die ser verpuffungsähnlichen Verbrennung wird durch die Trägheit der ausströmenden Gas massen ein kleines Vakuum in der Kammer 1 erzeugt. Infolgedessen wird nachher Aussen luft durch die Öffnungen 2 und 4 in die Kammer 1 hineingesaugt und gleichzeitig wird dabei auch Brennstoffluftgemiseh aus der Mischkammer 3 durch die Öffnung 2 mitgenommen.
Das hineinströmende Gemisch bildet in der Kammer 1 einen Wirbelring, wie sche matisch durch Pfeile angedeutet ist. Die Düse i hat den Zweck@ diese Wirbelbildung zu verstärken. Beim Einströmen findet in folge der starken Erweiterung hinter der Öffnung 2 im kegelförmigen Oberteil der Kammer 1 eine Ablösung von der Wand salt. Das Gemisch verdrängt die in der Kammer noch vorhandenen Restgase; dabei weicht die Einströnfront seitlich aus und rollt sich auf zu einem Wirbel.
Ungefälr in der Mitte der Kammer ist die Temperatur der Restgase so hoch, dass die Front des einströmenden Gemisches dort die Zündtemperatur erreiclt und die Züindung sich in dem Germisclwirbel fortpflanzt. Die Verbrennung erfolgt@ wie die Erfahrung zeigt, im sich bildenden Wirbel mit Volu- menlontraltion statt mit Dilatation@ so dass von aussen her noch mehr Gemisch nachge saugt und zur Verbrennung gebracht wird. Die Volumenkontraktion wird nach dem Da- fürlalten des Erfinders durch innere Kräfte im sieh bildenden Wirbel hervorgerufen, deren Natur von derselben Art ist wie die jenige der Ziihigleitslräfte.
Diese Kräfte liefern die Zentripedalbeschleunigung der Gasteilchen bei ihrer Bewegung um die Wir- belaehse. Sobald der Wirbel voll attsgebildet ist, wird die Strömung laminar. Die Wir kung der innern Kräfte, welche die Volu- menkontralition hervorgerufen haben hört auf, so dass die verdichteten Gase expandie ren und durch die Öffnungen 2 und 4 ins Freie strömen. Infolge der Trägheit der aus- trömenden Gase wird wiederum ein Va kuum gebildet, das die nächste Gemisch- ansaugung einleitet@ und das Spiel wieder holt sich.
Der Brennstoff wird in zerstäubter Forn lwutinuierlich durch die Zuleitung 5 in die Miselikaminer :; zugeführt und dort während des Auspuffes aliliumuliert. Die gegenseitige Stellung der Öffnungen 2 und -1 ist, wie die Erfahrung gezeigt hat, so, dass nur bei der Einströmung in die Kammer 1, nicht aber während des Auspuffes eine Saugwirkung entsteht, so dass Gemisch aus der Kammer 3 nicht mit den Abgasen mitgerissen und ver- schweiidet wird.
Die Regulierung des Brennstoffes ist wie die Erfahrung zeigt, in sehr weiten Grenzen möglich, so dass die Wärmeerzeugung einem starkschwankenden Bedarf angepasst werden kann. Bei gedrosselter Brennstoffzufuhr ist die sekundliche Zahl der Verbrennungen etwa 2 bis 3; diese Zahl nimmt proportional mit der zugeführten Brennstoffmenge bis auf über 100 pro Sesunde zu. Da jede Verbren nung sowohl bei hoher als auch bei niedriger Frequenz eine gleiche Menge Brennstoff und Luft verbraucht, ist eine besondere Luft regulierung nicht erforderlich.
Ausserhalb der Kammer erscheint kein Feuer, weil die Verbrennung schon vollendet ist, wenn die Abgase expandieren und aus strömen. Die Wärme wird während der Ver brennung mit sehr hoher Übergangszahl an die gekühlte Wandung 8 abgegeben, und die Abgase verlassen die Kammer bei verhält nismässig tiefer Temperatur. Wenn es vor teilhaft erscheint, die Abwärme zu verwer ten, so kann hinter der Öffnung 2 noch ein Wärmeaustauscher, beispielsweise ein Luft vorwärmer, angeordnet werden. Das Ver brennungsverfahren ist praktisch nur durch führbar, wenn die Wandung der Verbren nungskammer gekühlt wird, so dass sie die freikommende Verbrennungswärme während der Verbrennung abführen kann und diese Wärme nicht mit dem Abgasstrom aus der Kammer befördert wird.
Zur theoretischen Erklärung dieser Vor gänge seien noch folgende Erwägungen bei gefügt. Die Gesamtenergie des Gases ist auf die Bewegungsfreiheitsgrade der Moleküle verteilt. Man unterscheidet zwischen den äussern Freiheitsgraden der Moleküle, wor unter die translatorische Schwerpunkts bewegung (Temperaturbewegung) verstan den wird, und den innern Freiheitsgraden: die Rotation und innere Schwingung der Moleküle. Nach Gesetzen der statistischen Mechanik und der kinetischen Gastheorie ist die Gesamtenergie des Gases bei normalem G aszustand auf die Freiheitsgrade gleich mässig verteilt.
Bei einer Änderung der Ge samtenergie, an welcher die innern und die äussern Freiheitsgrade nicht gleich stark be teiligt sind, findet der Ausgleich zwischen den Freiheitsgraden im allgemeinen in so kurzer Zeit statt, dass eine Abweichung vom Gasgesetze nicht beobachtet wird.
Die Oxydation des Brennstoffes erfolgt unter Umsetzung chemischer Energie in Energie der innern Freiheitsgrade. Im Augenblick der Verbrennung isst demnach die Energieverteilung über äussere und innere Freiheitsgrade nicht im Gleichgewicht, und erst in der Folgezeit wird bei Zusammen stössen zwischen den Molekülen der Über schuss an innerer Energie in äussere Energie umgesetzt, bis Gleichgewicht vorhanden ist. Wenn die molekulare Bewegung im unver brannten Gemisch eine (normale) vollkom men ungeordnete ist, so dass die Zusammen stösse in allen Richtungen gleich stark ver teilt sind, findet der Ausgleich während der kurzen Zeit des chemischen Prozesses statt und ist unmittelbar hinter der Flammenfront die Gesamtenergie entsprechend dem Gleich gewichtszustande auf die verschiedenen Frei heitsgrade verteilt.
Dies ist der Fall bei der normalen oder deflagrativen Verbrennung. Sowohl vor als hinter der Flammenfront, nur in der dünnen iSchicht der Flammenfront selber nicht, herrscht molekularer Gleiehge- wichtszue@tand, so dass in jedem Augenblick des, Verbrennungsvorganges (für jede Lage der Flammenfront) der Zustand des unver- brannten Gemisches und der Verbrennungs produkte den thermodynamischen Gasgeset zen entspricht.
Fers treten bei normaler Ver brennung keine Beschleunigungen im Gase auf (abgesehen von untergeordneten Ver schiebungen infolgeExpans.ion des schon ver brannten Teils) oder sonstige mechanische Energieauslösungen .
Die äussere Energie ist bei vollkommen regelloser @Schwerpunktsbewegung in glei chen Teilen auf die drei auf die Raumkoor dinaten bezogenen Freiheitsgrade dieser Be wegung verteilt. Eine Störung des Gleich gewichtes der äussern Freiheitsgrade;
bedeutet beispielsweiee die Änderung .der Energie einest der Freih-eitsgrade. (Senkrecht zur
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Iioordinatenebene <SEP> der <SEP> beiden <SEP> andern <SEP> Frei heitsgrade <SEP> erfolge <SEP> die. <SEP> Übertragung <SEP> eines <SEP> ge richteten <SEP> Impul,ses, <SEP> wodurch <SEP> die <SEP> Störung <SEP> sieh
<tb> im <SEP> Gasvolumen <SEP> fortpflanzt.
<SEP> Die <SEP> Erscheinung
<tb> findet <SEP> zum <SEP> Beispiel <SEP> bei <SEP> der <SEP> Schallwelle <SEP> ,a,11-1.
<tb> In <SEP> der <SEP> Wellenfront <SEP> weichen <SEP> die <SEP> Gasteilchen
<tb> in <SEP> der <SEP> Riehtung <SEP> der <SEP> Wellenbewegung <SEP> aus.
<tb> Ihre <SEP> Bewegung <SEP> entspricht <SEP> einer <SEP> Merlag# rung <SEP> der <SEP> ursprünglich <SEP> regellosen <SEP> Bewegung
<tb> und <SEP> einer <SEP> Zusatzbewebo-ung <SEP> der <SEP> Moleküle <SEP> in
<tb> der <SEP> nämlichen <SEP> Richtung. <SEP> Die <SEP> Übertragluig
<tb> des <SEP> gerichteten <SEP> Impulses <SEP> erfolgt <SEP> also <SEP> senl@ recht <SEP> zur <SEP> Wellenfront <SEP> und <SEP> die <SEP> Störung <SEP> de..;
<tb> Gleichgewichtes <SEP> pflanzt <SEP> sich <SEP> mit <SEP> der <SEP> Schall geschwindigkeit <SEP> fort.
<tb> Wird <SEP> in <SEP> einem <SEP> ungestörten <SEP> CTase <SEP> an
<tb> irgend <SEP> einer <SEP> Stelle <SEP> eine <SEP> Platte. <SEP> bewegt, <SEP> so <SEP> er folgt <SEP> ein? <SEP> Uinströmting <SEP> des <SEP> Randes <SEP> der <SEP> Platte.
<tb> Die <SEP> Störung <SEP> pflanzt <SEP> sich <SEP> mit <SEP> rler <SEP> Scballge sehwindigkeit <SEP> fort, <SEP> wodurch <SEP> auch <SEP> die <SEP> CTas ieilchen <SEP> auf <SEP> grösserer <SEP> Entfernung <SEP> in <SEP> Becve gung <SEP> gebracht. <SEP> werden. <SEP> Die <SEP> innere <SEP> Reibung
<tb> hewirht, <SEP> dass <SEP> sich <SEP> hierbei <SEP> im <SEP> Ga.se <SEP> ein <SEP> Wir bel <SEP> ailsbildet.
<SEP> Die <SEP> Re=ihungskräfte <SEP> oder
<tb> Zähigkeitskräfte <SEP> entstehen <SEP> durch <SEP> Impulsans tausch <SEP> zwischen <SEP> den <SEP> Molekülen <SEP> zweier <SEP> Ga schichten <SEP> hei <SEP> gegenseitiger
<tb> Der <SEP> Impulsaustausch <SEP> erfolgt <SEP> parallel <SEP> für
<tb> Schicht <SEP> zum <SEP> Unterschiede <SEP> von <SEP> der <SEP> senkrecht
<tb> zur <SEP> UTel,lenfront <SEP> erfolgenden <SEP> Cbertragting <SEP> bei
<tb> der <SEP> Seha.llivell,e. <SEP> Die <SEP> Störung <SEP> des <SEP> ursprüng lichen <SEP> Crleichgeivichtes <SEP> der <SEP> äussern <SEP> Freiheits grade <SEP> ist <SEP> hei <SEP> der <SEP> Wirbelausbreitung <SEP> die <SEP> Xn derung <SEP> desjenigen <SEP> Freiheitsgrades, <SEP> dessen
<tb> Bezugsl,:
oordina-te <SEP> in <SEP> der <SEP> Schichtebene <SEP> in
<tb> Richtung <SEP> der <SEP> Verschiebung <SEP> liegt.
<tb> Die <SEP> Verbrennung <SEP> während <SEP> der <SEP> Ausbil dung <SEP> eines <SEP> Wirbels <SEP> erfolgt <SEP> unter <SEP> Umsetzung
<tb> chemischer <SEP> Energie <SEP> in <SEP> Energie <SEP> der <SEP> innern
<tb> Freiheitsgrade. <SEP> Darauffolgend <SEP> wird <SEP> beim
<tb> Ausgleich <SEP> zwischen <SEP> den <SEP> Freiheitsgraden <SEP> so wohl <SEP> die <SEP> regellose <SEP> Schwerpunktsheivegurlg
<tb> (Temperaturbewegung), <SEP> als <SEP> auch <SEP> die <SEP> gerich tete <SEP> Komponente <SEP> der <SEP> Bewegung <SEP> angeregt.
<tb> Diese <SEP> letztere <SEP> Anregung <SEP> wird <SEP> als <SEP> "Energie auslösun.g" <SEP> im <SEP> Gase <SEP> bezeichnet <SEP> (Erzeugung
<tb> von <SEP> Wirbelenergie), <SEP> zum <SEP> Unterschiede.
<SEP> von
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der <SEP> Wärmetönung. <SEP> worunter <SEP> die <SEP> erstere <SEP> An r
<tb> regung <SEP> verstanden <SEP> wird. <SEP> In <SEP> analoger <SEP> U <SEP> eise
<tb> verläuft <SEP> die <SEP> Verbrennung <SEP> während <SEP> der <SEP> Fort pflanzung <SEP> einer <SEP> Di-ucliivelle <SEP> im <SEP> Gase <SEP> (klop fende <SEP> Verbrennung). <SEP> Die <SEP> Esplosionsivelli,
<tb> tritt <SEP> auf. <SEP> wenn <SEP> eine <SEP> Gemischmenge <SEP> durch
<tb> Verdiehtung <SEP> his <SEP> zur <SEP> Zündteniperatur <SEP> erwärnil
<tb> wird. <SEP> Die <SEP> Zündung <SEP> tritt <SEP> an <SEP> irgend <SEP> einer
<tb> stelle <SEP> ein <SEP> und <SEP> fiilirt <SEP> dort <SEP> zli <SEP> einem <SEP> starken
<tb> Druchanstieg. <SEP> Diese. <SEP> örtliche <SEP> @ruch@teinerung
<tb> pflanzt <SEP> sich <SEP> dann <SEP> #ellenförmig <SEP> fort.
<SEP> Die <SEP> mit
<tb> der <SEP> adiabatisch.en <SEP> honipression <SEP> in <SEP> der <SEP> Welle
<tb> verbundene <SEP> Temperaturerhöhung <SEP> führt <SEP> auch
<tb> an <SEP> andern <SEP> Orten <SEP> zur <SEP> Entztin.dting <SEP> und <SEP> diese
<tb> );reitet <SEP> .sieb <SEP> mit <SEP> der <SEP> Geschwindigkeit <SEP> der
<tb> 'Welle <SEP> a.u=. <SEP> sseini <SEP> Enc#i'gieau:#gleieh <SEP> zwischun
<tb> den <SEP> Freiheits,raden <SEP> wird <SEP> die <SEP> dem <SEP> Auswei clien <SEP> der <SEP> Gasteilchen <SEP> entsprechende <SEP> gleiell .,-#richtl#te <SEP> der <SEP> Moleküle <SEP> an geregt. <SEP> so <SEP> dass <SEP> diese <SEP> ssei@-e.gung <SEP> hinter <SEP> der
<tb> @@'ell;
. <SEP> (Flaininenfi'o?i1) <SEP> grösser <SEP> ist <SEP> als <SEP> vor <SEP> der
<tb> Welle <SEP> und <SEP> demenisprechend <SEP> das <SEP> Ausweichen
<tb> der <SEP> Cra,steilcben. <SEP> Daraus <SEP> resultiert <SEP> eine
<tb> 1Tassenhe ^egnng <SEP> iin <SEP> verbrannten <SEP> Gase, <SEP> deren
<tb> l:ner <SEP> @@'ie <SEP> gehab <SEP> niebrere <SEP> Prozente <SEP> der <SEP> Verliren ?11171@@s@U:11'ille <SEP> l <SEP> e.trägt.
<tb> Die <SEP> Verbrennung <SEP> iti <SEP> einem <SEP> sieh <SEP> bildenden
<tb> Wirbel <SEP> ist <SEP> delon@itiv. <SEP> weil <SEP> tlie <SEP> Wirbelenergie
<tb> der <SEP> CTa.teilchcn <SEP> hei <SEP> der <SEP> Verbrennung <SEP> zu nimmt:
<SEP> die <SEP> chemische <SEP> Energie <SEP> erscheint <SEP> zilni
<tb> Teil <SEP> als <SEP> Wirbelenergie. <SEP> Wird <SEP> der <SEP> Gemisch wirhel <SEP> heim <SEP> sseainn <SEP> der <SEP> Ausströmung <SEP> aus
<tb> einer <SEP> Düse <SEP> in <SEP> der <SEP> Ahniosphäre <SEP> gebildet, <SEP> so
<tb> wird <SEP> ein <SEP> deutliches <SEP> Aufrollen <SEP> der <SEP> Flamme <SEP> zli
<tb> cüleni <SEP> starken <SEP> Wirbelring <SEP> beobachlet-. <SEP> In <SEP> der
<tb> wach <SEP> der <SEP> Erfindung <SEP> aiisgefiihrien <SEP> Verbre.n nun-lm.innier <SEP> wird <SEP> hei <SEP> der <SEP> Einströmung <SEP> ein
<tb> -Wirbel <SEP> g.ehildet, <SEP> der <SEP> allseitig <SEP> durch <SEP> Wandun gen <SEP> begrenzt <SEP> -wird.
<SEP> In <SEP> der <SEP> Gasschicht, <SEP> welche
<tb> an <SEP> den <SEP> gekühlten <SEP> 'Wandungen <SEP> haftet, <SEP> wird
<tb> die <SEP> an <SEP> die <SEP> CTasteilchen <SEP> gebundene <SEP> Wirbel energie <SEP> vernichtet <SEP> (in <SEP> Wärme <SEP> verwandelt),
<tb> indem <SEP> die <SEP> gleichgerichtete <SEP> Schwerpunkts ihren <SEP> lmplil- <SEP> den <SEP> Molekülen <SEP> des
<tb> festen <SEP> Materials <SEP> inilteilt. <SEP> Diese <SEP> in <SEP> unmittel-
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rarer <SEP> Nähe. <SEP> der <SEP> Wandung <SEP> erzeugte <SEP> U'ärnic
<tb> wird <SEP> in <SEP> dein <SEP> festen <SEP> Material <SEP> Reitergeleitet;
<tb> die. <SEP> Rückleitung <SEP> an <SEP> das <SEP> Gas <SEP> ist <SEP> verhältnis- mässig gering wegen des grossen Unterschie den der Wärmeleitfähigkeit des festen Ma terials und des Gases.
Durch die mit Schall geschwindigkeit im Gasvolumen der Kam mer erfolgende Impulsübertragung wird die bei der Verbrennung erzeugte Wirbelenergie nach der Grenzschicht der gekühlten Wan dungen weitergeleitet und dort in Wärme t ransformiert.
Zur Erläuterung des Unterschiedes zwi schen der Wärmeübertragung bei detonativer Verbrennung und bei normaler, deflagativer Verbrennung, wird noch folgendes Beispiel beigefügt.
Beim Herunterfallen eines Gewichtes auf eine Bleiplatte wird die obere Bleischicht zerquetscht, so dass darin eine Wärmeent wicklung stattfindet. Ein weiter von der Be rührungsfläche entferntes Massenteilchen des Gewichtes trägt bei der Verwandlung leben diger Kraft in Wärme in gleicher Weise zu der Erwärmung der Platte bei wie ein Teil chen in unmittelbarere Nähe der Berührungs fläche. Der Impulseines Massenteilchens wird im Gewicht mit der Sehallgeschwindig keit des Materials, weitergeleitet. Ein analo ges Beispiel für die Wärmeübertragung durch Leitung bei normaler Verbrennung wäre die Erwärmung der Platte durch ein für diesen Zweck auf höhere Temperatur ge brachtes Gewicht.
Hierbei würde ein Tempe raturgefälle entstehen, so dass ein weitent ferntes Teilchen nicht mehr indem Masse zu der Erwärmung der Platte beiträgt wie ein nahe gelegenes.
Bei der Ausbildung eines Flammen wirbels im Verbrennungsraum unter gleich zeitiger Abführung der Wirbelenergie an die gekühlten Wandungen findet im Gase eine Volumenkontraktion statt. Obwohl die Trans- lationsgeschwindigkeit der Moleküle beim Ausgleich eine grössere wird, steigt nicht der Druck des Gases nach den Gasgesetzen der Thermodynamik, welche eine vollkommene Regellosigkeit der Schwerpunktsbewegung voraussetzen, sondern es wird bei der Im- pulsübertragung eine Schichtung der Mole küls hervorgerufen unter Verminderung der freien Zwischenräume.