Heissgaskolbenmaschine mit äusserer Heizung Die Erfindung betrifft eine Heissgaskolben- maschine mit äusserer Heizung, bei welcher Wärme aus dem Arbeitsmedium zunächst an einen Regene- rator abgegeben und darin gespeichert wird, wäh rend das Arbeitsmedium komprimiert wird, und bei welcher dann die im Regenerator gespeicherte Wärme an das Arbeitsmedium beim Übertritt in den Arbeitsraum der Maschine abgegeben wird. In dieser Maschine arbeitet ein gasförmiges Arbeitsmedium nach dem Stirling- oderEricsson-Wärme-Kreisprozess.
Diese .beiden Wärme-Kreisprozesse sind einander sehr ähnlich; sie unterscheiden sich im wesentlichen nur durch die Art der Wärmezufuhr zu dem Arbeits medium. Während bei einer nach dem Stirling- Wärme-Kreisprozess arbeitenden Maschine die ge samte Wärmezufuhr zu dem Arbeitsmedium bei konstantem Volumen erfolgt, wird bei einer .entspre chend geänderten, nach dem Ericsson-Wärme-Kreis- prozess arbeitenden Maschine die gesamte Wärme dem Arbeitsmedium bei konstantem Druck zuge führt.
Beide Maschinenbauarten kann man als Wärmekraftmaschinen mit äusserer Wärmezufuhr be zeichnen; bei beiden wird Wärme von einem Rege nerator aufgenommen und in diesem gespeichert, während das Arbeitsmedium anschliessend verdichtet und dann durch den Regenerator hindurch in den Arbeitsraum der Maschine gedrückt wird, wobei es die vorher an den Regenerator abgegebene Wärme menge wieder aufnimmt.
Die ersten Wärmekraftmaschinen dieser Art ar beiteten mit Luft als Arbeitsmedium; der in der Praxis erreichte thermische Wirkungsgrad war sehr gering.
Die Erfindung erlaubt es, eine Wärmekraft maschine der oben beschriebenen Art so zu verbes sern, dass ihr Wirkungsgrad wesentlich erhöht und ihr mechanischer Aufbau vereinfacht wird, so dass die Maschine zuverlässig arbeitet. Die erfindungs gemässe Heissgaskolbenmaschine ist dadurch gekenn zeichnet, dass für die Übertragung der Wärme von einer äusseren Wärmequelle an das in den Arbeits- raumfliessendeArbeitsmedium einWärmeaustauscher- system vorgesehen ist,
welches aus einer Vielzahl von parallelgeschalteten Heizröhren zweckmässig mit verhältnismässig kleinem innerem Durchmesser zu sammengesetzt ist und welches einerseits mit dem Regenerator und anderseits mit dem Arbeitsraum der Maschine mittels Expansionskompensationsrohrbogen verbunden ist. Für solche Maschinen sind vor allem die im Inneren der Maschine sich abspielenden ther modynamischen Vorgänge wichtig; der äussere Ver brennungsvorgang der Brennstoffe, die als Wärme quelle für den Betrieb solcher Maschinen benutzt werden, ist dagegen weniger wichtig.
Es kann irgend ein bekanntes Verfahren zur Verbrennung von Brenn stoffen in Luft Verwendung finden; ferner kann zu sätzlich eine Wiedergewinnung der Abgaswärme vor gesehen werden, die noch in den Abgasen enthalten ist.
Als Arbeitsmedium wird zweckmässig ein völlig trockenes Gas oder eine Mischung völlig trockener Gase verwendet.
Als Arbeitsmedium wird man ein Gas wählen, das bei den hohen, in der Maschine herrschenden Temperaturen, deren obere Grenze beim Kreispro zess den Wert von 780 C erreichen kann, bessere Wärmeübertragungseigenschaften aufweist als Luft. Es empfiehlt sich, als Arbeitsmedium entweder voll kommen trockenes Kohlendioxydgas oder Heliumgas oder eine Mischung beider zu verwenden.
Man kann aber auch als Arbeitsmedium Kohlen dioxydgas mit einer Beimengung von Argon, Neon oder Stickstoff benutzen. Wenn die Wärmekraftmaschine z. B. nach dem Stirling-Kreisprozess arbeitet, wird ein Arbeitsmedium verwendet, das eine verhältnismässig hohe Tempe ratur im Arbeitsprozess zulässt, die z. B. bei etwa 750 liegt; ferner empfiehlt es sich, zwischen den kalten und heissen Teilen bzw.
Arbeitsräumen der Maschine Vorrichtungen .einzuschalten, die einen Übergang von Schmiermitteln aus den kalten Teilen oder Räumen in die heissen Teile oder Räume ver hindern, damit so ein unerwünschtes Cracken oder Verkoken des Schmiermittels und ein sich dadurch ergebendes Verstopfen des primären Regenerators durch Teer oder andere Abscheidungen unterbunden wird.
Weiterhin .empfiehlt es sich, bei einer nach dem Stirling-Kreisprozess arbeitenden Maschine, in der eines der oben genannten Arbeitsmedien verwendet wird, zwischen dem Einlass in den Arbeitszylinder und dem an diesen Einlass angrenzenden kalten Raum einen sekundären Regenerator einzuschalten, der eine beträchtliche, bei der kalten Verdichtungs phase entstehende Wärmemenge speichern kann, die dann von dem expandierenden Gas wieder aufge nommen wird. Dieser sekundäre Regenerator er gibt durch die Verringerung der in das Kühlwasser der Maschine abzuleitenden Wärme eine Erhöhung der von der Maschine abzugebenden Nutzleistung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Er findung besteht der sekundäre Regenerator aus feiner Metalldrahtgaze oder aus dünnen Metalldrähten; er wird so angeordnet und ausgeführt, dass er als ein Schmiermittel-Abscheider oder -Filter wirkt, der den Übergang des Schmiermittels aus den kalten Teilen oder Räumen der Maschine in die heissen Teile oder Räume verhindert, um so eine unerwünschte Verrin gerung des Wirkungsgrades des primären Regenera- tors durch Kohle-,
Koks- oder ähnliche Abscheidun- gen in diesem Regenerator zu verhindern.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind nachstehend Ausführungsbeispiele beschrieben und anhand der Zeichnung veranschaulicht; es zeigen: Fig. 1 eine teilweise im Längsschnitt dargestellte Seitenansicht einer doppelt wirkenden Wärmekraft maschine, die nach dem Stirling-Kreisprozess arbeitet, Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung .einer Wärme kraftmaschine, die nach dem Ericsson-Kreisprozess arbeitet,
Fig. 3 eine teilweise im Schnitt dargestellte An sicht einer Wärmekraftmaschine gemäss Fig.2. Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Rohrelement der aus mehreren Einzelrohren bestehenden Heiz- vorrichtung in grösserem Massstab und Fig. 5 eine Ansicht eines vollständigen Heizrohr elementes in grösserem Massstab.
In Fig. 1 ist ein Arbeitszylinder 1 dargestellt, in dem ein doppelt wirkender Kolben längsverschieblich geführt ist, der aus zwei Kolbenköpfen 2, 3 besteht, die unter Zwischenschaltung einer Hülse mit Abstand voneinander auf eine Kolbenstange 4 aufgeschraubt sind.
Der Zylinder hat in der Nähe seiner Enden Aussenflansche 5, 6; die Zylinderenden selbst sind in zwei je einen Abschluss des Arbeitszylinders 1 bildenden Gussstücken 7, 8 cingepasst, in denen Kanäle zur Verbindung des Arbeitszylinders mit zwei Verdrängerzylindern 9, 10 vorgesehen sind, die an den beiden Enden des Arbeitszylinders rechtwinklig zu dem Arbeitszylinder angeordnet sind. Die Kolben stange 4 führt durch eine Stopfbüchse 11 in dem Gussstück 8 hindurch und ist mit einem Kreuzkopf 12 verschraubt, der seinerseits zwischen Gleitführungen 13 geführt wird. Die genannten Teile werden von einer gemeinsamen Grundplatte getragen.
Der Kreuz kopf 12 ist über eine Kurbelstange 14 mit einer Kurbelwelle 15 gekuppelt, die in einem Kurbel gehäuse 16 gelagert ist. An der Kurbelwelle 15 ist ein einzelnes Schwungrad 17 oder ein Paar Schwung räder durch Schrauben befestigt. Die die unteren Teile der Verdrängerzylinder 9, 10 bildenden zylin drischen Bohrungen in den z. B. aus Bronze herge stellten Gussstücken 7, 8 liegen mit ihren Achsen im rechten Winkel zur Achse des Arbeitszylinders 1 und bilden kalte Kammern. Sie sind zu diesem Zwecke mit Wasserkühlmänteln versehen, die in be liebiger Weise mit Kühlwasser gespeist werden.
In das obere Ende jedes der kalten Kammer gussstücke 7, 8 ist ein Zylinder 9, 10 aus einer hitze beständigen Legierung eingeschraubt, der an seinem oberen Ende geschlossen ist und eine heisse Kammer bildet. Der Verdrängerzylinder 10 ist im Schnitt dar gestellt; aus diesem Schnitt ist zu erkennen, dass die Kühlmantelräume 18, 19 an den oberen Flansch enden 20 der Gussstücke offen sind und durch einen an diesen Flanschen befestigten Ring oder eine Ringscheibe 21 abgeschlossen werden.
Der obere Teil jedes heissen Zylinders 9, 10, seine untere Zone sowie der untere Teil der kalten Zylinder gussstücke 7, 8 sind mit einer inneren Hülse 22 ver sehen, in welcher. der Verdrängerkolben 23 gleitet, der als Hohlzylinder ausgebildet ist und aus einer hitzebeständigen Legierung besteht, vorzugsweise der gleichen wie die Zylinder 9, 10 der heissen Kammern.
Den lichten Ringraum zwischen der Hülse bzw. dem Zylinder nimmt das Primärregeneratormaterial ein, das vorzugsweise aus einem Stapel von dünnen Ringen 24 gebildet wird, die aus Monelmetall-Draht- gaze mit 200 Maschen bestehen. Wahlweise können auch gewickelte Spulen aus feinem Draht eines Me tallee verwendet werden. Aus der Zeichnung geht hervor, dass jede der oben erwähnten Hülsen an den Raum am Ende des Arbeitszylinders 1 anschliesst.
Jeder Verdrängerkolben 23 ist mit einer Betäti gungsstange 25,<B>251</B> fest verbunden, die durch eine Stopfbüchse 26 in dem unteren Teil des Gussstückes hindurchführt und über eine Schwenkverbindung 27 an ein Ende eines Schwinghebels 28 angelenkt ist, der seinerseits in seiner Mitte 29 im unteren Teil der Grundplatte 30 schwenkbar gelagert ist.
Ein mit dem Schwinghebel 28 verbundener Arm 31 ist über eine Stange 32 mit einem von einer entsprechend ausgebildeten Steuerscheibe auf der Kurbelwelle 15 gesteuerten Steuerglied 33 verbunden, über das die beiden Verdrängerkolben 23 abwechselnd in zeit licher Anpassung an die Phasen des Stirling-Kreis- prozesses auf- und abwärts bewegt werden.
Es sei vorausgesetzt, dass das Arbeitsmedium Kohlendioxyd ist und zunächst aus einem üblichen Vorratsbehälter über ein Reduzierventil und Rück schlagventile durch Öffnungen 35 in den Zylinder gussstücken 7 und 8 in die beiden Endräume des Arbeitszylinders 1 hineingespeist wird. Auslässe 36 sind mit entsprechend angeordneten Gassicherheits ventilen versehen. Das vorzugsweise getrocknete Gas kann dem kalten Zylinder mit jedem gewünschten Druck bis zu einem Höchstdruck von 28 at zuge führt werden.
Zwischen jedem Zylinderarbeitsraum, das heisst dem einen Endraum des Arbeitszylinders 1 und dem benachbarten kalten Raum, das heisst dem unteren Teil eines Verdrängerzylinders, ist ein zweiter Rege nerator 34 vorgesehen, der entweder aus einer Reihe von feinmaschigen Gazeringen zusammenge setzt ist, wie sie oben für den primären Regenerator beschrieben wurden, oder der aus Spulen eines dün nen Drahtes, z. B. Nickelchromdrahtes von 0,025 mm Durchmesser besteht, die als kompakte Spulen ge wickelt sind. Dieser sekundäre Regenerator erfüllt zwei unterschiedliche Aufgaben.
Einerseits ist er ge eignet, eine wesentliche Wärmemenge bei der Kom pressionsphase des Kreisprozesses zu speichern; diese Wärme wird von dem expandierenden Gas wieder aufgenommen, wodurch die während des Expansions- oder Arbeitshubes ausnutzbare Arbeit ganz wesent lich ansteigt.
Anderseits wirkt der sekundäre Regene- rator als Prallflächenfilter oder ölabscheider für das im Arbeitszylinder 1 befindliche Öl; er verhindert, dass dieses Öl die heissen Räume der Verdränger- zylinder erreicht, in denen es zersetzt und sich als Teerniederschlag oder ein anderes Teerprodukt, z. B. Teerkoks, absetzen würde, wodurch die Wirkung des primären Regenerators 24 beträchtlich gestört wer den könnte.
Der sekundäre Regenerator 34 wirkt also als ein Filter für das Schmiermittel, das im allge meinen in Form von Nebel aus dem Arbeitszylinder 1 kommt; der Regenerator kann leicht so angeordnet werden, dass das in ihm niedergeschlagene Schmier mittel in einen für diesen Zweck besonders vorgese henen Schmiermittelsumpf abfliesst.
Der Arbeitsprozess der Maschine soll nun im einzelnen dargelegt werden, und zwar unter der An nahme, dass in dem besonderen, zu erläuternden Bei spiel die von dem Arbeitsmedium erreichte höchste Temperatur T1 750 C und die niedrigste Temperatur TZ 50 C ist. Der errechnete theoretische Wirkungs grad beträgt bei diesen Temperaturgrenzen 68,5 /o.
In der ersten Stufe des Kreisprozesses möge das Gas isothermisch in dem Arbeitsraum des Zylinders auf das Doppelte seines Volumens expandieren, wo bei es die für die Leistung der abgegebenen mecha nischen Arbeit notwendige Energie in Form von Wärme aufnimmt.
Die Mengeneinheit von einem Kilo Gas, die in dieser Weise expandiert, leistet bei einer vollständigen Kurbelwellenumdrehung eine Ar beit, die gleich
EMI0003.0031
.in kcal ist, wobei R die Gaskonstante für jedes Kilo des Gases in mkg,I C, A das Wärmeäquivalent, das heisst
EMI0003.0033
kcal je mkg,
EMI0003.0035
das Expansionsverhältnis - im vorliegenden Falle 2 - und T1 die absolute Temperatur des ex pandierenden Gases in Grad Kelvin ist. Die während dieses Expansionshubes in den Schwungrädern ge speicherte Arbeit bringt die Maschine über die wei teren Phasen des Kreisprozesses.
In der zweiten Phase strömt das Kohlendioxyd mit konstantem Volumen durch den Regenerator, wobei seine Temperatur von dem Wert T1 auf den Wert T2 fällt. Die dabei in dem Regenerator ge speicherte Wärmemenge ist r/1 <I>-</I> c" <I>-</I> (T,-T.), worin ev. die spezifische Wärme des Gases und #7i der Wir kungsgrad des Regenerators ist, der zu 979/o ange nommen werden soll.
In der dritten Phase wird das Kohlendioxyd isothermisch durch den Kolben der Maschine bis auf seinen ursprünglichen Rauminhalt V verdichtet. Die je Umdrehung der Kurbelwelle ab gegebene (Verlust-) Wärme, die vor allem in den kühlenden Wassermantel geht, ist<I>A</I> # <I>R</I> # <I>T2</I> * ln
EMI0003.0054
je Kilo des verdichteten Gases, wobei T2 die abso lute Temperatur in Grad Kelvin ist. Der Ausdruck ergibt das Wärmeäquivalent derjenigen Arbeit, die aus der kinetischen Energie der Schwungräder ge deckt wird, wobei zunächst eine Berücksichtigung des sekundären Regenerators unterbleibt.
In der vierten Phase wird das Kohlendioxyd bei konstantem Volu men durch den Regenerator hindurch wieder in den heissen Zylinderraum gedrückt, wobei seine Tempe ratur von TZ auf T1 ansteigt.
Die dabei aus dem Regenerator wieder aufgenommene Wärmemenge ist 171c, (TI-T.). Die infolge der Verluste im Regene- rator nicht wiedergewinnbare Wärme ist C.. <I>'</I> (T1 T2) <I>'</I> (1-17i) Dieser Wärmeverlust wird durch die äussere Behei- zung ausgeglichen.
Es lässt sich durch die entspre chende Rechnung zeigen, dass bei der Verwendung von Kohlendioxyd als Arbeitsmedium und mit einem primären Regenerator mit einem Wirkungsgrad von 971/o, der höchste Wirkungsgrad des Arbeitsprozesses zwischen den Temperaturen von 750 und 50 C etwa 60,2 % ist.
Es dürfte selbstverständlich sein, dass die soeben genannten Zahlen nur theoretische Wirkungsgrade bedeuten. Da rohrförmige Heizelemente verwendet werden, wie sie weiter unten beschrieben werden, kann die obere Grenze der Arbeitstemperatur, die das in dem Kreisprozess arbeitende Gas er reicht, ungefähr 780 sein; ferner kann der Arbeits druck auf einen Wert von 10,5 at herabgesetzt wer den.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel einer Maschine, wie sie soeben beschrieben wurde, wei chen jedoch die Kompressions- und Expansionsvor gänge des Arbeitsmediums in ihrem Charakter von denen des rein isothermen Prozesses ab und wegen der unvermeidbaren Druckverluste infolge Gasrei bung der normalen Reibungsverluste in gleitenden und gegeneinander sich bewegenden Teilen der Maschine sowie schliesslich wegen Wärmeverluste, die durch die Wärmestrahlung der Maschine als Gan zes sowie durch den unmittelbaren Wärmeübergang zwischen den im Inneren der Maschine liegenden heissen und kalten Teilen gegeben sind,
ist der tat sächliche gesamte Nutzleistungs-Wirkungsgrad be deutend niedriger. Wendet man den vorher erwähn ten sekundären Wärmeregenerator an, so lassen sich noch ungefähr 2,5 0/0 gewinnen. Bei kleinen Maschi nen mit einer Leistung von wenigen Pferdestärken kann der mechanische Wirkungsgrad bis auf 70% hinuntergehen, während bei grösseren Maschinen von 50 PS oder mehr dieser Wirkungsgrad 80 bis 851/o betragen kann.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel ist die Drehzahl der Maschine etwa 500 Um und der doppelt wirkende Kolben hat einen Hub von <B>115</B> mm. Die Kurbelwelle und ihre Lager erhalten Schleuder-Ölschmierung innerhalb des Kurbelgehäu ses und der Arbeitskolben im Zylinder 1 wird von einer durch die Maschine angetriebenen Pumpe mit Drucköl geschmiert. Um die Arbeitsräume gasdicht zu halten, sind an der Kolbenstange und den Stan gen der Verdrängerkolben Stopfbüchsen vorgesehen. Diese Stopfbüchsen können z. B. aus Trist-Fiber be stehen.
Die heissen Kammern sind aus einer hitze beständigen Legierung hergestellt, die hochgradig zunderfest und damit auch bei den hohen, in der Maschine auftretenden Temperaturen gegen oxy- dische Korrosion sicher ist und die ausserdem ent sprechend hohe Festigkeits- und Kriechsicherheits- werte aufweist.
Eine für die heissen Kammern geeignete Legie rung kann z. B. folgendermassen zusammengesetzt sein:
EMI0004.0027
Kohlenstoff <SEP> 0,40/0
<tb> Mangan <SEP> <B>0,81/0</B>
<tb> Silizium <SEP> 1,0%
<tb> Nickel <SEP> 13,0%
<tb> Chrom <SEP> <B>13,011/9</B>
<tb> Cobalt <SEP> <B>10,00/0</B>
<tb> Molybden <SEP> 2,0%
<tb> Niob <SEP> <B>3,01/o</B>
<tb> Wolfram <SEP> <B>2,50/9</B>
<tb> Rest <SEP> Eisen Die Konstruktion der heissen Kammer ist derart, dass die Kammerwandungen nur inneren Druckkräf ten unterworfen sind, nicht aber einer Kombination von inneren Druckkräften und den grösseren Wärme dehnungskräften.
Zu diesem Zweck ist der heisse Ein lass des Regenerators mit dem heissen Raum durch eine Vielzahl von Metallrohren verbunden, die aus der gleichen hitzebeständigen Legierung bestehen. Diese Rohre weisen in dem beschriebenen Beispiel einen Aussendurchmesser von ungefähr 8 mm und eine innere Bohrung von ungefähr 2,5 mm auf. Die Rohre werden zweckmässigerweise in demjenigen Be reich ihrer Länge, der den heissen Gasen der Brenn- kammer ausgesetzt ist, mit Rippen versehen, damit sie die zusätzliche äussere Oberfläche haben, die er forderlich ist, um eine genügende Wärmemenge aus den Heizgasen aufzunehmen.
In dem oben beschriebenen Beispiel ist ein voll ständiger Heizrohrsatz für jeden heissen Raum vor gesehen, der aus 35 einzelnen Rohren zusammen gesetzt ist - so dass insgesamt 70 Rohre für die gesamte Maschine benötigt werden -, deren obere Enden in das äussere Ende jedes heissen Zylinder oberteiles und deren untere Enden in die heisse Ein gangswand des Regenerators eingeschweisst sind. Die mit Rippen versehene Länge jedes Rohres beträgt ungefähr 330 mm.
Um das Auftreten zerstörender Beanspruchungen in den ,einzelnen Rohren eines vollständig zusammengebauten Heizrohrsatzes zu ver hindern, die infolge der Wärmedehnungen beim An steigen der Temperatur bis auf einen Wert von 800 C zu befürchten sind, erhalten diese Rohre in der Nähe ihrer Enden kreisförmige Bogen, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind.
Die Wandungen der heissen Räume der Ma schine lassen sich noch zusätzlich dadurch gegen Verformungen infolge innerer Überdrücke sichern, dass man die Aussenflächen der die heissen Räume begrenzenden Wandungen der Maschine mit Win dungen eines vorzugsweise unter elastischer Span nung aufgezogenen Wolframmetalldrahtes oder -ban den versieht.
Es ist ohne weiteres möglich, mehrere (4 oder mehr) Arbeitszylinder in irgendeiner geeigneten Weise so anzuordnen, dass ihre Arbeitskolben entweder ge meinsam auf eine Kurbelwelle arbeiten oder in zweckentsprechender Art mit einem Taumelscheiben- antrieb verbunden werden. Falls gewünscht, kann je der Kolben auch die Räume zweier Prozesse beein flussen, und zwar in dem Sinn, dass jeder Zylinder einen heissen Zylinderraum an dem einen Ende auf weist, wobei ein Verdrängerkolben an den Arbeits kolben angeschraubt ist.
Das obere Ende jedes heissen Zylinderraumes ist zum Ableiten der Gase über ein Rohr mit dem unteren Ende des nächsten Zylinders verbunden, dessen Kolben um 90 versetzt auf die gemeinsame Kurbelwelle arbeitet. Wenn ein Kurbel- wellentri.eb verwendet wird, empfiehlt es sich, die Zylindereinheiten paarweise anzuordnen, wobei jedes Zylinderpaar in V-Form mit 90 -Winkel angeordnet ist. Die V-förmig angeordneten Zylindergruppen kön nen in beliebiger Zahl hintereinander liegen und auf eine gemeinsame Kurbelwelle arbeiten, wobei ihre Pleuelstangenpaare jeweils an .einer gemeinsamen Kurbel angreifen.
Obwohl die Verwendung von Kohlendioxyd als Arbeitsmittel bevorzugt wird, kann selbstverständ- lich dieses Gas durch ein oder mehrere inerte Gase, wie Stickstoff, Helium, Argon oder Neon, ersetzt oder in Mischung mit diesen Gasen verwendet werden; es ist lediglich darauf zu achten, dass das in dem Prozess verwendete Gas völlig trocken, das heisst wasserfrei ist.
In den Fig. 2, 3 und 4 ist eine abweichende Aus führungsform der Wärmekraftmaschine dargestellt, die dazu bestimmt ist, nach dem Ericsson-Wärme- Kreisprozess zu arbeiten. Diese abweichende Ausfüh rungsform der Maschine hat zwei Zylinder 41 und 42, die in V-Anordnung mit unter einem rechten Winkel gegeneinander geneigten Achsen auf dem Kurbelwellengehäuse 43 angeordnet sind, das seiner seits unter einem Gasdruck von ungefähr 17 at steht.
Dieses Kurbelwellengehäuse ist aus einzelnen Teilen zusammengeschweisst, als Material dient ein Stahl mit 0,40 % Kohlenstoff und 0,45 % Mangan, der in einem basischen Siemens-Martin-Stahlofen erschmol zen wurde. Die eine Zylindereinheit 41 der Zylin dergruppe ist eine Arbeitseinheit, während die an dere Zylindereinheit 42 als zweistufiger Kompressor wirkt.
Die Arbeitszylindereinheit besteht in ihrem oberen Teil aus einem heissen Zylinderraum 44, in den ein leichter Verdrängerkolben 45 mit Spiel ein taucht. An seinem unteren Ende ist der heisse Zylin der 44 mit dem aus Gusseisen bestehenden und mit einem Wasserkühlmantel versehenen Zylinder 41 verschraubt, der den gleichen inneren Bohrungs durchmesser hat wie der heisse Zylinder 44. Das zur Herstellung des Zylinders 41 verwendete Gusseisen ist vorzugsweise ein legiertes Eisen mit hoher Zug festigkeit. Ein genau in den Zylinder 41 eingepasster Arbeitskolben 46 aus Gusseisen, der mit Kolbenrin gen 47 ausgestattet ist, gleitet in dem auf genaues Mass bearbeiteten Zylinder 41 hin und her.
Der leichte Verdrängerkolben 45 sowie der heisse Zylin derteil 44 sind aus derjenigen hitzebeständigen Le gierung hergestellt, die bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 1 genannt wurde. Der Verdrängerkolben 45 ist hohl und mit einem neutralen, leichten Pulver, wie Magnesiumoxyd oder mikroporösem Kieselgur (Kieselerde) gefüllt, die beide gute und hochtemperaturfeste Wärmeisolato ren sind. Der Verdrängerkolben 45 ist fest an dem oberen Ende des Arbeitskolbens 46 befestigt, so dass die beiden Kolben an ihrer Verbindungsstelle eine Einheit mit gleichem Durchmesser bilden.
Der Ver- drängerkolben 45 läuft von seiner Verbindungsstelle mit dem Arbeitskolben 46 bis zu seinem oberen Ende in Richtung auf den Deckel des heissen Zylinderteiles 44 leicht konisch zu.
Die Kompressorzylindereinheit besteht in ihrem oberen Teil aus einem Hochdruckzylinder 48, der von einem Kühlwassermantel 49 umgeben ist. Ein Endkühler 50 in Form eines mit Kühlrippen besetzten Rohres verbindet den Hochdruckzylinder 48 (vgl. Fig. 2) mit der Gasvorratsflasche 51. Der Kühlwas- sermantel 49 hat besondere Ein- und Auslässe für den Umlauf des Kühlwassers. Das untere Ende des Hochdruckzylinders 48 ist mit seinem flanschartig ausgebildeten Endteil an dem oberen Ende des unte ren Zylinders 42 befestigt.
Dieser Zylinder 42 hat ebenfalls einen Kühlwassermantel 53; getrennte Ein- und Auslässe ermöglichen auch hier den Umlauf des Kühlwassers. Ein Druckausgleichbehälter 70, der ein Sicherheitsventil 71 und einen Abblashahn 72 aufweist, ist zwischen die erste und zweite Kom- pressorstufe eingeschaltet. Die Verbindungsleitung führt durch den Zwischenkühler 52.
Der in dem Zylinder 42 gleitende Kompressor kolben 54 ist an seinem oberen Ende mit dem Hochdruckkompressorkolben verbunden, der seiner seits in dem Zylinder 48 arbeitet. Beide Kompressor zylinder sind aus Gusseisen hoher Zugfestigkeit her gestellt; der zusammengesetzte Kolben besteht eben falls aus Gusseisen. Die Pleuelstangen beider Kolben, nämlich des Arbeitskolbens 46 und des Kompres- sorkolbens 54, greifen mit ihren Lagerköpfen auf einen gemeinsamen Kurbelzapfen 55 der Kurbelwelle der Maschine, an der ein Gegengewicht 56 angeord net ist, das als Ausgleichsgewicht dient.
Das Ge wicht dieses Ausgleichsgewichtes, bezogen auf seinen Schwerpunktshebelarm, ist ungefähr gleich der Summe der Gewichte der beiden Pleuelstangenköpfe, der Kurbelzapfen, der Kurbelwangen, des Gewichtes eines Kolbens, eines Kolbenzapfens und einer Pleuelstange, vermindert um das Gewicht des Pleuel- stangenkopfes. Dabei ist vorausgesetzt, dass jede Kolbenkombination mit ihrer Pleuelstange im we sentlichen genau so schwer ist und ungefähr die gleiche radiale Länge hat, wie die andere Kolben kombination. Die Kurbelwelle 57 ist in Kurbelwellen lagern 58 gelagert und trägt ein Schwungrad 59 und ein Paar Steuernocken 60 und 61, von denen zwei Ventile 62 und 63 betätigt werden.
Die Ventile sind in der Grundplatte des Regenerators 64 angeordnet, von dem aus eine Gruppe von Heizrohren 65 durch eine Brennkammer zu dem oberen Ende des heissen Zylinderraumes 44 des Arbeitszylinders führt. Mit dem Regenerator 64 ist ausserdem ein Einlassrohr 66 verbunden, das zu der Gasvorratsflasche 51 führt; weiterhin geht von ihm ein Auslassrohr 73 aus, das zu dem Kühler 67 führt. Üblicherweise wird der Regenerator mit feiner Metallgaze gefüllt.
Die Heiz rohre - von denen ungefähr siebzig vorgesehen sind - haben einen gerippten Mittelteil (vgl. Fig. 5), der ungefähr 600 mm lang ist und einen Querschnitt, wie ihn die Fig. 4 zeigt. Die Heizrohre werden gemäss Fig. 5 ausgeführt; die in dieser Figur dargestellten Kreisbögen75sindvorgesehen, umdasAuftretenunzu- lässig hoher Spannungen und Verformungen auf Grund von Wärmedehnungen zu verhüten. Die Steuernocken 60 und 61, die zwei Kompressorzylinder, ihr Kolben und die Ein- und Auslassventile werden geschmiert.
Die Brennkammer kann beliebige Form haben; sie wird auf ihrer äusseren Oberfläche durch eine Schicht mikroporöser Kieselerde isoliert, die ungefähr 5 cm stark ist. Die heissen Zylinderräume und die oberen Teile des Regenerators sind in ähnlicher Weise auf ihrer äusseren Oberfläche isoliert, und zwar ebenfalls mit mikroporöser Kieselerde. Das Isoliermaterial ist in sämtlichen Fällen in eine glän zende Aluminiumhülle eingeschlossen.
Die Wandun gen der Brennkammer, die einer Temperatur von 850 C standhalten müssen, bestehen aus einer be sonderen, hitzebeständigen Legierung, die bei 850 C noch genügend hohe Festigkeit aufweist und bis her auf zu Temperaturen von 1100 C unter der Einwir kung der Feuergase nicht zundert. Die Zusammen setzung dieser Legierung ist:
EMI0006.0004
Nickel <SEP> 20,01/0
<tb> Chrom <SEP> <B>25,00/0</B>
<tb> Silizium <SEP> <B>1,51/0</B>
<tb> Kohlenstoff <SEP> 0,15%
<tb> Rest <SEP> Eisen Die innere Wandungsoberfläche des heissen Zy linderraumes ist in ihrer gesamten Länge durch eine etwa 6 mm starke Schicht aus mikroporöser Kiesel erde gegen Wärmeaufnahme isoliert.
Die Schicht ist in zweckmässiger Weise in einer Hülle aus einer be sonderen Legierung, z. B. rostfreiem Stahl bekann ter Art, eingeschlossen. Diese Hülle passt sich genau der Innenfläche der Wände des heissen Zylinderrau mes über deren Gesamtlänge an. Sie gestattet jedoch unter allen Umständen das ungehinderte Bewegen des Verdrängerkolbens.
Die zur Herstellung des heissen Zylinderraumes der Maschine verwendete Legierung kann die gleiche sein, wie sie für die Herstellung der heissen Zylinder räume der anhand der Fig.l beschriebenen Ma schine verwendet wird; die Heizrohre sind ebenfalls aus der gleichen hitzebeständigen Legierung herge stellt. Der Regenerator besteht zweckmässigerweise aus einer Monel-Metallgaze mit 200 Maschen und ist aus einer grossen .Zahl von Scheiben aufgebaut, die aus der Gaze ausgestanzt und dicht übereinander in den zylindrischen Zylinderraum des Regenerator- gehäuses eingedrückt sind.
Für den Betrieb der Maschine wird Kohlen dioxyd bei zwischen 17 ünd 56 ata liegenden Drük- ken und bei einer ungefähren Temperatur von 38 C als Betriebsgas verwendet. Das in zwei Stufen auf 56 ata verdichtete Kohlendioxydgas wird in die Gasflasche 51 geleitet, aus der die Maschine die für jeweils einen Expansionshub erforderliche Gas menge entnimmt.
Der Gaseinlass und der Gasauslass des heissen Zylinderraumes werden bei jedem Ar beitsspiel durch zwei über Nocken bewegte Ventile 62 und 63 gesteuert; das Profil jedes Nockens ist derart ausgelegt, dass das öffnen und Schliessen der beiden Ventile genau aufeinander abgestimmt ist und in der richtigen zeitlichen Folge durchgeführt wird. Die Nocken werden von der Kurbelwelle der Ma schine in der Weise angetrieben, dass sie sich jeweils einmal bei einer vollständigen Umdrehung der Kur belwelle öffnen und schliessen.
Beim öffnen des Hochdruck-Einlassventils fliesst das kalte Gas mit einem Druck von 56 ata durch den Regenerator, dessen thermischer Wirkungsgrad 98% ist und an- schliessend durch die Rohrheizkörper 65, deren metallische Wandungen üblicherweise auf .einer Tem peratur von 800 C gehalten werden, zu dem oberen Ende des heissen Zylinderraumes 44. Das Einlass- ventil schliesst sich sofort, wenn die für ein Arbeits spiel erforderliche Menge des Gases in den heissen Zylinderraum gelangt ist.
Dieses Gasvolumen, das sich in dem Regenerator und den Heizrohren auf eine Temperatur von 780 C erwärmt hat, könnte sich auf das 4,34fache seines Volumens ausdehnen, wenn man lediglich den Inhalt des heissen Zylinder raumes in Rechnung stellt. Das tatsächlich an der Expansion teilnehmende Gasvolumen ist jedoch die Summe der Gasvolumina in den rohrförmigen Heiz- kanälen und in den Zwischenräumen des dicht mit Gaze vollgepackten Regenerators sowie des Gas volumens, das beim Beginn des Expansionsvorgan ges bereits in den Expansionszylinder selbst gelangt war.
Das tatsächlich expandierende Volumen ist in diesem Fall das 1,44fache des heissen Zylinder rauminhaltes, womit das tatsächliche Expansions verhältnis demnach nur 3,32 wird. Bei seinem Ex pansionsvorgang drückt das Gas den Arbeitskolben abwärts und leistet dabei Nutzarbeit.
Im vorliegenden Fall ist der Expansionsvorgang ungefähr ein isothermer Expansionsvorgang. Setzt man den Wirkungsgrad des Regenerators mit dem Wert 1 an, so ist die in dem Expansionszylinder bei einer Umdrehung der Maschinenwelle geleistete Arbeit je Kilo des expandierenden Gases durch die Beziehung gegeben, worin A das Wärmeäquivalent,
EMI0006.0046
R die Gas-Konstante, bezogen auf 1 kg Kohlendioxyd, Ti die absolute Temperatur, bei der die Expansion erfolgt und p 1 und p2 den An fangs- und Enddruck bedeuten. Die Temperatur T1 ist im vorliezenden Fall 1052 K; das Expansions verhältnis
EMI0006.0050
ist - wie bereits oben angegeben 3,32.
Der anschliessende Kompressionsvorgang erfolgt in zwei Stufen, wobei jede der Stufen das gleiche Verdichtungsverhältnis, und zwar die Quadratwurzel des Wertes das heisst 1,82 hat. Nimmt man wiederum an,
EMI0006.0051
dass der Kompressionsvorgang als Ganzes in seinem Charakter .einer isothermen Kom pression nahekommt, so lässt sich zeigen, dass der gesamte Arbeitsaufwand zur Durchführung des Kom pressionsvorganges durch den Ausdruck
EMI0006.0053
gegeben ist. In dem vorliegenden Falle ist die Tem peratur T2 mit 310 K anzusetzen.
Das in dem Ar beitsprozess verwendete Kohlendioxydgas, das bei Temperaturen von 780 C oder höheren Tempera turen in seinem Verhalten dem eines idealen Gases nahekommt, weicht bei Temperaturen im Bereiche von 38 C oder darunter in seinem Verhalten ganz wesentlich von dem Verhalten eines idealen Gases ab. Bei diesen niedrigen Temperaturen lässt sich Kohlendioxyd ganz wesentlich stärker verdichten als ein ideales Gas und die zur Verdichtung auf ein kleines Volumen aufzuwendende Arbeit ist ganz we sentlich kleiner als die Arbeit, die sich durch die Auswertung des Ausdruckes
EMI0007.0001
er gibt.
Diese Abweichung von dem Verhalten eines idealen Gases im Bereich der in dem vorliegenden Prozess in Frage kommenden Verdichtungstempera tur macht Kohlendioxyd besonders für die Durch führung des Arbeitsprozesses geeignet, da hierdurch eine Steigerung des gesamten Wirkungsgrades mög lich ist. Die Ausführungsform der nach dem Ericsson-Wärme-Kreisprozess arbeitenden Wärme kraftmaschine, wie sie soeben beschrieben wurde, hat die folgenden Eigenheiten: Rohrförmige Heizkörper ca) Der Druckabfall zwischen Anfang und Ende der Heizrohre ist 0,45 at bei einer Maschinendreh zahl von 960 U m und 56 ata Arbeitsdruck.
b) Die Nusselt-Zahl für die Wärmeübertragung von den Wänden der Heizkörper mit einer Wand temperatur von 8001 C auf das Arbeitsmedium unter 56 ata Druck beträgt 214.
c) Die thermischen Beanspruchungen in den Wandungen der Heizkörper sind bei voller Belastung der Maschine kleiner als 49 kg,'cm".
Kühler d) Der Druckverlust im Zwischenkühler 50 ist 0,47 at; e) Der Druckverlust im Zwischenkühler 52 ist 0,28 at; f) Der Druckverlust im Zwischenkühler 67 ist 0,32 at.
Der gesamte Druckverlust in den Kühlern = <B>1,07</B> at.
Der gesamte Druckverlust in den rohrförmigen Heizkörpern und den Zwischenkühlern ist 1,53 at oder ungefähr 411/o des mittleren Arbeitsdruckes von 36,6 at. Die tangentialen Zugbeanspruchungen in dem Material sind vernachlässigbar.
Bei der Ausführung grosser Maschineneinheiten kann die Konstruktion wesentlich vereinfacht wer den, wenn man die Maschinen nach dem Ericsson- Wärme-Kreisprozess arbeiten lässt. In diesem Falle können zwei völlig gleiche Expansionszylindereinhei- ten in rechtem Winkel zueinander in V-Anordnung vorgesehen werden, wobei ihre einander gleichen Kolben- und Pleuelstangen auf einen gemeinsamen Zapfen der Kurbelwelle arbeiten und durch ein ge meinsames Ausgleichsgegengewicht in bezug auf Massenkräfte ausgeglichen werden. Der Innendurch messer eines Expansionszylinders kann bis zu 500 mm und der Kolbenhub ebenfalls ungefähr 500 mm gross gemacht werden.
Man wird ferner zwei Regeneratoren verwenden, von denen jeder seine besonderen, von der gemeinsamen Kurbelwelle her betätigten Ein- und Auslassventile hat. Der Kom pressor könnte ein besonders ausgelegter Kompressor sein, der von der Kurbelwelle der Maschine mit dem für zweckmässig gehaltenen übersetzungsverhält= nis angetrieben werden kann.
Bei Maschinen besonders grosser Leistung lassen sich vier oder mehr untereinander völlig gleiche Expansionszylindereinheiten in rechtwinkliger V-An- ordnung mit einer gemeinsamen Kurbelwelle kup peln, wie es oben beschrieben wurde. In einem solchen Falle würden jedoch nur zwei Regenerator- einheiten nötig sein, da jeweils ein vollständiger Regenerator mit seinen besonderen, nockengesteuer- ten Ventilen zwei oder mehrere Expansionszylinder einheiten speisen kann.
Die rohrförmigen Heizkör per für eine beliebige Zahl von Expansionszylinder einheiten könnten mit ihren Heizrohren sämtlich in den gemeinsamen Kopf eines Regenerators einge schweisst sein. Für eine solche grosse Maschinenein heit braucht man nur einen Kompressor zu verwen den, der von der gemeinsamen Kurbelwelle über ein zweckmässig gewähltes Übersetzungsgetriebe ange trieben wird. So kann z. B. für eine solch grosse Maschine ein sogenannter isothermer Zentrifugal kompressor, wie er heute im Handel zu haben ist, mit einer Drehzahl von z. B. 2800 U/m über ein ent sprechendes übersetzungsgetriebe von der gemein samen Kurbelwelle angetrieben werden.