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.
Method and device for generating and transferring heat. The invention relates to a United drive and a device for generating and transferring heat.
The purpose of the invention is to transfer the heat generated during combustion with a high heat transfer coefficient.
According to the invention, this purpose is achieved in that the combustion detonates iv.
With the usual technical combustion processes, both with constant pressure and with an increase in pressure similar to a deflagration, the chemical energy of the fuel-air mixture appears as sensible heat immediately after combustion. The so-called knocking combustion on the other hand. which can occur in gasoline engines is accompanied by strong mass movements in the gas, the energy of which is several percent of the heat of combustion. The knocking burn eats a detonative burn.
The difference between detonative combustion and normal, deflagrant combustion lies in the special type of energy conversion in the gas, the type that the chemical energy does not appear directly as sensible heat. The occurrence of mass movements during knocking combustion is an example of such an energy release.
The heat transfer is very large with detonation combustion, because the energy of the gas is converted into sensible heat near the wall surface and is quickly transferred to the solid material. The knocking combustion is undesirable in an engine because the cooling water losses are greater due to the higher heat transfer.
This causes the engine to lose power, the cooling water is excessively heated and the exhaust temperatures are lower. The idea of the invention is to use the higher heat transfer associated with detonative combustion, which is undesirable in the engine, for purposes where the heat generated is to be transferred to Heizflä surfaces, such as, for example, in a steam boiler. The detonative combustion takes place according to the invention in a chamber provided with a narrowed opening. In the accompanying drawing, an embodiment example of the device according to the invention is shown schematically in section.
On the basis of the same, the method according to the invention is also exemplified below.
The cooled combustion chamber 1 is provided with a cooling jacket 9 @ which the cooling water is supplied through the pipe 10) and from which it flows through the pipe 11. The combustion chamber 1 has an opening 2. A mixing chamber 3 is placed in front of the opening 2. This has an opening 4 in front of the opening 2. Atomized fuel is introduced through the line 5 into the mixing chamber 3, to which air is supplied through an annular gap 6. In the mixing chamber 3, a Brennstoffluftge mix is generated, which can pass through the opening 2 into the combustion chamber. In the latter, a gelihlte nozzle 7 is provided. The cooling water of the nozzle 7 flows through the supply line 12 to the nozzle 7 and through the discharge line 13 in the cooling jacket 9 to return.
Fuel-air mixture is introduced into the chamber 1 for starting and ignites by means not shown in the drawing. A normal explosion-like combustion takes place. The combustion gases are pushed out through openings 2 and 4 at high speed into the atmosphere. Immediately after this deflagration-like combustion, a small vacuum is created in chamber 1 due to the inertia of the gas flowing out. As a result, outside air is subsequently sucked into the chamber 1 through the openings 2 and 4 and, at the same time, fuel air mixture is also taken from the mixing chamber 3 through the opening 2.
The mixture flowing in forms a vortex ring in the chamber 1, as is indicated cally by arrows. The nozzle i has the purpose @ to intensify this vortex formation. When flowing in, as a result of the strong expansion behind the opening 2 in the conical upper part of the chamber 1, a detachment from the salt wall. The mixture displaces the residual gases still present in the chamber; in the process, the Einströn front gives way to the side and rolls up into a vortex.
Approximately in the middle of the chamber the temperature of the residual gases is so high that the front of the inflowing mixture reaches the ignition temperature there and the ignition propagates in the germic vortex. The combustion takes place @ as experience shows, in the vortex that forms with volume contraction instead of dilatation @ so that even more mixture is sucked in from outside and brought to combustion. According to the inventor's view, the volume contraction is caused by internal forces in the vertebral body, the nature of which is of the same type as that of the sliding forces.
These forces provide the centripetal acceleration of the gas particles as they move around the vertebrae. As soon as the vortex is fully formed, the flow becomes laminar. The effect of the internal forces that caused the volume contraction ceases, so that the compressed gases expand and flow through openings 2 and 4 into the open. As a result of the inertia of the escaping gases, a vacuum is again formed which initiates the next intake of the mixture @ and the game repeats itself.
The fuel is continuously in atomized form through the feed line 5 into the miselica chamber:; fed and aluminumized there during the exhaust. As experience has shown, the mutual position of the openings 2 and -1 is such that a suction effect occurs only when flowing into chamber 1, but not during the exhaust, so that the mixture from chamber 3 is not entrained with the exhaust gases and is concealed.
As experience shows, the regulation of the fuel is possible within very wide limits, so that the heat generation can be adapted to a strongly fluctuating demand. With the fuel supply throttled, the number of burns per second is about 2 to 3; this number increases proportionally with the amount of fuel supplied to over 100 per hour. Since every combustion process uses the same amount of fuel and air at both high and low frequency, no special air regulation is required.
No fire appears outside the chamber because the combustion is already complete when the exhaust gases expand and flow out. The heat is given off during the combustion with a very high transition number to the cooled wall 8, and the exhaust gases leave the chamber at relatively low temperature. If it appears before geous, the waste heat to werer th, a heat exchanger, for example an air preheater, can be arranged behind the opening 2. The combustion process is practically only feasible if the wall of the combustion chamber is cooled so that it can dissipate the combustion heat released during the combustion and this heat is not conveyed out of the chamber with the exhaust gas flow.
The following considerations should be added to the theoretical explanation of these processes. The total energy of the gas is distributed over the degrees of freedom of movement of the molecules. A distinction is made between the outer degrees of freedom of the molecules, which is understood by the translational movement of the center of gravity (temperature movement), and the inner degrees of freedom: the rotation and inner oscillation of the molecules. According to the laws of statistical mechanics and the kinetic gas theory, the total energy of the gas in a normal gas state is evenly distributed over the degrees of freedom.
If the total energy changes, in which the inner and outer degrees of freedom are not equally involved, the balance between the degrees of freedom generally takes place in such a short time that a deviation from the gas law is not observed.
The fuel is oxidized by converting chemical energy into energy of the inner degrees of freedom. At the moment of combustion, the energy distribution over external and internal degrees of freedom does not eat in equilibrium, and only in the subsequent period is the excess of internal energy converted into external energy in the event of collisions between the molecules, until equilibrium is achieved. If the molecular movement in the unburned mixture is (normal) completely disordered, so that the collisions are equally distributed in all directions, the equalization takes place during the short time of the chemical process and the total energy is immediately behind the flame front Distributed according to the equilibrium between the various degrees of freedom.
This is the case with normal or deflagrative combustion. Both in front of and behind the flame front, only not in the thin layer of the flame front itself, there is a molecular equilibrium, so that at every moment of the combustion process (for every position of the flame front) the state of the unburned mixture and the combustion products complies with the thermodynamic gas laws.
Furthermore, during normal combustion there are no accelerations in the gas (apart from minor shifts due to expansion of the part that has already been burned) or other mechanical energy releases.
With a completely random movement of the center of gravity, the external energy is distributed in equal parts over the three degrees of freedom of this movement related to the spatial coordinates. A disturbance of the equilibrium of the external degrees of freedom;
means, for example, the change in the energy of one of the degrees of freedom. (Perpendicular to
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Iioordinate level <SEP> of the <SEP> two <SEP> other <SEP> degrees of freedom <SEP> take place <SEP> the. <SEP> Transmission <SEP> of a <SEP> directed <SEP> impulse, ses, <SEP> whereby <SEP> sees the <SEP> fault <SEP>
<tb> propagates in the <SEP> gas volume <SEP>.
<SEP> The <SEP> appearance
<tb> finds <SEP> for <SEP> example <SEP> at <SEP> the <SEP> sound wave <SEP>, a, 11-1.
<tb> In <SEP> the <SEP> wavefront <SEP> <SEP> the <SEP> gas particles give way
<tb> in <SEP> the <SEP> direction <SEP> the <SEP> wave movement <SEP>.
<tb> Your <SEP> movement <SEP> corresponds <SEP> to a <SEP> merging <SEP> of the <SEP> originally <SEP> random <SEP> movement
<tb> and <SEP> an <SEP> additional movement <SEP> of the <SEP> molecules <SEP> in
<tb> the <SEP> same <SEP> direction. <SEP> The <SEP> transmissible
<tb> of the <SEP> directed <SEP> impulse <SEP> takes place <SEP> i.e. <SEP> senl @ right <SEP> to the <SEP> wavefront <SEP> and <SEP> the <SEP> disturbance <SEP> de ..;
<tb> Equilibrium <SEP> <SEP> propagates <SEP> with <SEP> the <SEP> speed of sound <SEP>.
<tb> If <SEP> in <SEP> is a <SEP> undisturbed <SEP> CTase <SEP>
<tb> any <SEP> of a <SEP> place <SEP> a <SEP> disk. <SEP> moves, <SEP> so <SEP> follows <SEP>? <SEP> Uinströmting <SEP> of the <SEP> edge <SEP> of the <SEP> plate.
<tb> The <SEP> fault <SEP> <SEP> propagates <SEP> with <SEP> rler <SEP> ballging speed <SEP>, <SEP> whereby <SEP> also <SEP> the <SEP> CTas The particles <SEP> are brought to <SEP> greater <SEP> distance <SEP> in <SEP> curve <SEP>. <SEP> will be. <SEP> The <SEP> inner <SEP> friction
<tb> hewirht, <SEP> that <SEP> <SEP> here <SEP> in <SEP> Ga.se <SEP> a <SEP> wire <SEP> ails is formed.
<SEP> The <SEP> forces <SEP> or
<tb> Toughness <SEP> is created <SEP> by <SEP> impulse exchange <SEP> between <SEP> the <SEP> molecules <SEP> of two <SEP> Ga layers <SEP> is <SEP> mutual
<tb> The <SEP> pulse exchange <SEP> takes place <SEP> in parallel <SEP> for
<tb> Layer <SEP> to <SEP> Differences <SEP> from <SEP> the <SEP> perpendicular
<tb> for <SEP> UTel, lenfront <SEP> taking place <SEP> Cbertragting <SEP> with
<tb> the <SEP> Seha.llivell, e. <SEP> The <SEP> disturbance <SEP> of the <SEP> original <SEP> Crleichgeivichtes <SEP> of the <SEP> express <SEP> degree of freedom <SEP> is <SEP> after <SEP> the <SEP> vortex propagation <SEP> the <SEP> Xchanges <SEP> of that <SEP> degree of freedom, <SEP> of that
<tb> reference:
oordina-te <SEP> in <SEP> of the <SEP> layer level <SEP> in
<tb> Direction <SEP> the <SEP> shift <SEP> lies.
<tb> The <SEP> combustion <SEP> during <SEP> the <SEP> training <SEP> of a <SEP> vortex <SEP> takes place <SEP> under <SEP> implementation
<tb> chemical <SEP> energy <SEP> in <SEP> energy <SEP> inside the <SEP>
<tb> degrees of freedom. <SEP> Subsequently <SEP> becomes <SEP> with
<tb> Compensation <SEP> between <SEP> the <SEP> degrees of freedom <SEP> as well as <SEP> the <SEP> irregular <SEP> main focus
<tb> (temperature movement), <SEP> as <SEP> also <SEP> the <SEP> directed <SEP> component <SEP> of the <SEP> movement <SEP> is excited.
<tb> This <SEP> the latter <SEP> excitation <SEP> is called <SEP> as <SEP> "energy release" <SEP> in <SEP> gases <SEP> <SEP> (generation
<tb> from <SEP> vortex energy), <SEP> to <SEP> differences.
<SEP> from
EMI0004.0002
the <SEP> catabolism. <SEP> including <SEP> the <SEP> the first <SEP> to r
<tb> excitation <SEP> is understood <SEP>. <SEP> In <SEP> analog <SEP> U <SEP> iron
<tb> runs <SEP> the <SEP> combustion <SEP> during <SEP> the <SEP> propagation <SEP> a <SEP> di-ucliivelle <SEP> in the <SEP> gases <SEP> (knocking < SEP> combustion). <SEP> The <SEP> Esplosionsivelli,
<tb> occurs <SEP>. <SEP> if <SEP> a <SEP> mixture amount <SEP>
<tb> Dilution <SEP> to <SEP> to <SEP> ignition temperature <SEP> heat up
<tb> will. <SEP> The <SEP> ignition <SEP> occurs <SEP> at <SEP> any <SEP> one
<tb> set <SEP> <SEP> and <SEP> filters <SEP> there <SEP> zli <SEP> a <SEP> strong
<tb> Pressure increase. <SEP> This. <SEP> local <SEP> @ refining
<tb> <SEP> reproduces <SEP> then <SEP> # cellular <SEP>.
<SEP> The <SEP> with
<tb> the <SEP> adiabatic.en <SEP> honipression <SEP> in <SEP> the <SEP> wave
<tb> connected <SEP> temperature increase <SEP> also leads <SEP>
<tb> at <SEP> other <SEP> locations <SEP> to <SEP> Entztin.dting <SEP> and <SEP> these
<tb>); rides <SEP> .sieb <SEP> with <SEP> the <SEP> speed <SEP> the
<tb> 'Wave <SEP> a.u =. <SEP> sbei <SEP> Enc # i'gieau: #gleieh <SEP> between
<tb> the <SEP> freedom, raden <SEP> is <SEP> the <SEP> <SEP> the <SEP> ID <SEP> of the <SEP> gas particles <SEP> the same as <SEP>., - # directive <SEP> of the <SEP> molecules <SEP> excited. <SEP> so <SEP> that <SEP> this <SEP> ssei@-e.gung <SEP> behind <SEP> the
<tb> @@ 'ell;
. <SEP> (Flaininenfi'o? I1) <SEP> greater <SEP> is <SEP> than <SEP> before <SEP> the
<tb> wave <SEP> and <SEP> demeni-speaking <SEP> the <SEP> evasive
<tb> the <SEP> Cra, steep. <SEP> This <SEP> results in <SEP> one
<tb> 1 cup height <SEP> in <SEP> burned <SEP> gases, <SEP> their
<tb> l: ner <SEP> @@ 'ie <SEP> have <SEP> lower <SEP> percent <SEP> of <SEP> lost? 11171 @@ s @ U: 11'ille <SEP> l <SEP > e. wears.
<tb> The <SEP> combustion <SEP> iti <SEP> a <SEP> see <SEP> forming
<tb> vortex <SEP> is <SEP> delon @ itiv. <SEP> because <SEP> tlie <SEP> vortex energy
<tb> the <SEP> CTa.partchcn <SEP> he <SEP> the <SEP> combustion <SEP> increases:
<SEP> the <SEP> chemical <SEP> energy <SEP> appears <SEP> zilni
<tb> Part <SEP> as <SEP> vortex energy. <SEP> If <SEP> the <SEP> mixture is <SEP> home <SEP> sseainn <SEP> the <SEP> outflow <SEP>
<tb> of a <SEP> nozzle <SEP> in <SEP> of the <SEP> Ahniosphere <SEP> formed, <SEP> like this
<tb> becomes <SEP> a <SEP> clear <SEP> rolling up <SEP> the <SEP> flame <SEP> zli
<tb> cüleni <SEP> strong <SEP> vortex ring <SEP> observe-. <SEP> In <SEP> the
<tb> awake <SEP> the <SEP> invention <SEP> lead to <SEP> Verbre.n now-lm.innier <SEP> <SEP> is called <SEP> the <SEP> inflow <SEP> a
<tb> vortex <SEP> formed, <SEP> of <SEP> <SEP> on all sides <SEP> is <SEP> bounded by <SEP> walls <SEP>.
<SEP> In <SEP> the <SEP> gas layer, <SEP> which
<tb> adheres to <SEP> the <SEP> cooled <SEP> 'walls <SEP>, <SEP> becomes
<tb> the <SEP> to <SEP> the <SEP> CTA particles <SEP> bound <SEP> vortex energy <SEP> destroys <SEP> (transformed into <SEP> heat <SEP>),
<tb> by <SEP> the <SEP> rectified <SEP> focus of their <SEP> lmplil- <SEP> the <SEP> molecules <SEP> des
<tb> solid <SEP> material <SEP> inil divides. <SEP> This <SEP> in <SEP> immediately
EMI0004.0003
rare <SEP> proximity. <SEP> of the <SEP> wall <SEP> generated <SEP> U'ärnic
<tb> is <SEP> in <SEP> your <SEP> fixed <SEP> material <SEP> tab;
<tb> the. <SEP> return line <SEP> to <SEP> the <SEP> gas <SEP> is <SEP> relatively low due to the large difference in the thermal conductivity of the solid material and the gas.
As a result of the impulse transmission that takes place in the gas volume of the chamber at the speed of sound, the eddy energy generated during combustion is passed on to the boundary layer of the cooled walls and transformed into heat there.
The following example is attached to explain the difference between the heat transfer between detonative combustion and normal, deflagative combustion.
When a weight falls onto a lead plate, the upper lead layer is crushed, so that heat is generated in it. A mass particle of the weight further away from the contact surface contributes to the warming of the plate in the same way as a particle in the immediate vicinity of the contact surface during the transformation of living force into heat. The momentum of a mass particle is transmitted in the weight at the visual speed of the material. An analogous example of heat transfer by conduction in normal combustion would be the heating of the plate by a weight brought to a higher temperature for this purpose.
This would result in a temperature gradient so that a distant particle no longer contributes to the heating of the plate in the same mass as a nearby one.
When a vortex of flames is formed in the combustion chamber with simultaneous dissipation of the vortex energy to the cooled walls, a volume contraction takes place in the gases. Although the translation speed of the molecules becomes greater during equilibrium, the pressure of the gas does not increase according to the gas laws of thermodynamics, which presuppose a complete irregularity in the movement of the center of gravity, but rather a stratification of the molecules is produced during the momentum transfer, reducing the free spaces.