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.
Hot gas piston machine with external heating The invention relates to a hot gas piston machine with external heating, in which heat from the working medium is first given to a regenerator and stored therein, while the working medium is compressed, and in which the heat stored in the regenerator is then applied the working medium is released when it enters the working area of the machine. In this machine, a gaseous working medium works according to the Stirling or Ericsson heat cycle.
These two thermal cycle processes are very similar to one another; they differ essentially only in the type of heat supply to the working medium. While in a machine working according to the Stirling heat cycle all the heat is supplied to the working medium at a constant volume, in a correspondingly modified machine working according to the Ericsson heat cycle, the entire heat is transferred to the working medium at a constant volume Pressure applied.
Both types of machine can be described as heat engines with external heat supply; In both cases, heat is absorbed by a regenerator and stored in it, while the working medium is then compressed and then pressed through the regenerator into the working area of the machine, absorbing the amount of heat previously released to the regenerator.
The first heat engines of this type worked with air as the working medium; the thermal efficiency achieved in practice was very low.
The invention makes it possible to improve a heat engine of the type described above so that its efficiency is significantly increased and its mechanical structure is simplified, so that the machine works reliably. The hot gas piston machine according to the invention is characterized in that a heat exchanger system is provided for the transfer of heat from an external heat source to the working medium flowing into the working space,
which is expediently composed of a large number of heating tubes connected in parallel with a relatively small inner diameter and which is connected on the one hand to the regenerator and on the other hand to the working space of the machine by means of expansion compensation pipe bends. For such machines, the thermodynamic processes taking place inside the machine are particularly important; the external combustion process of the fuels that are used as a heat source for the operation of such machines is less important.
Any known method of burning fuel in air can be used; furthermore, a recovery of the exhaust gas heat that is still contained in the exhaust gases can be seen in addition.
A completely dry gas or a mixture of completely dry gases is expediently used as the working medium.
The working medium will be a gas that has better heat transfer properties than air at the high temperatures prevailing in the machine, the upper limit of which can reach 780 C in the cycle process. It is advisable to use either fully dry carbon dioxide gas or helium gas or a mixture of both as the working medium.
But you can also use carbon dioxide gas with an admixture of argon, neon or nitrogen as the working medium. When the heat engine z. B. works according to the Stirling cycle, a working medium is used that allows a relatively high tempe temperature in the work process that z. B. is about 750; It is also advisable to stand between the cold and hot parts or
Work areas of the machine. To switch on devices that prevent the transfer of lubricants from the cold parts or rooms to the hot parts or rooms, so that undesirable cracking or coking of the lubricant and the resulting clogging of the primary regenerator by tar or other deposits is prevented.
Furthermore, it is recommended, in a machine operating according to the Stirling cycle in which one of the above-mentioned working media is used, to switch on a secondary regenerator between the inlet into the working cylinder and the cold space adjoining this inlet the cold compression phase can store the resulting amount of heat, which is then taken up again by the expanding gas. This secondary regenerator he gives by reducing the heat to be dissipated in the cooling water of the machine, an increase in the useful power to be delivered by the machine.
In a preferred embodiment of the invention, the secondary regenerator consists of fine metal wire gauze or thin metal wires; it is arranged and designed so that it acts as a lubricant separator or filter, which prevents the transfer of the lubricant from the cold parts or rooms of the machine to the hot parts or rooms, thus reducing the efficiency of the primary Regenerators through coal,
To prevent coke or similar deposits in this regenerator.
To explain the invention in more detail, exemplary embodiments are described below and illustrated with reference to the drawing; 1 shows a side view, partially shown in longitudinal section, of a double-acting heat engine that works according to the Stirling cycle, FIG. 2 shows a cross-sectional view of a heat engine that works according to the Ericsson cycle,
Fig. 3 is a partially sectioned view of a heat engine according to Fig.2. 4 shows a cross-section through a pipe element of the heating device consisting of several individual pipes on a larger scale and FIG. 5 shows a view of a complete heating pipe element on a larger scale.
1 shows a working cylinder 1 in which a double-acting piston is longitudinally displaceable and consists of two piston heads 2, 3 which are screwed onto a piston rod 4 at a distance from one another with the interposition of a sleeve.
The cylinder has outer flanges 5, 6 near its ends; the cylinder ends themselves are fitted in two cast pieces 7, 8 each forming a closure of the working cylinder 1, in which channels are provided for connecting the working cylinder to two displacement cylinders 9, 10 which are arranged at right angles to the working cylinder at the two ends of the working cylinder. The piston rod 4 passes through a stuffing box 11 in the casting 8 and is screwed to a cross head 12, which in turn is guided between sliding guides 13. The parts mentioned are carried by a common base plate.
The cross head 12 is coupled via a connecting rod 14 to a crankshaft 15 which is mounted in a crank housing 16. On the crankshaft 15, a single flywheel 17 or a pair of flywheels is attached by screws. The lower parts of the displacement cylinder 9, 10 forming cylin drical holes in the z. B. made of bronze Herge castings 7, 8 are with their axes at right angles to the axis of the working cylinder 1 and form cold chambers. For this purpose, they are provided with water cooling jackets that are fed with cooling water in any manner.
In the upper end of each of the cold chamber castings 7, 8 a cylinder 9, 10 made of a heat-resistant alloy is screwed, which is closed at its upper end and forms a hot chamber. The displacement cylinder 10 is provided in section is; From this section it can be seen that the cooling jacket spaces 18, 19 at the upper flange ends 20 of the castings are open and are closed by a ring or an annular disk 21 attached to these flanges.
The upper part of each hot cylinder 9, 10, its lower zone and the lower part of the cold cylinder castings 7, 8 are seen with an inner sleeve 22 ver in which. the displacement piston 23 slides, which is designed as a hollow cylinder and consists of a heat-resistant alloy, preferably the same as the cylinders 9, 10 of the hot chambers.
The clear annular space between the sleeve or the cylinder is occupied by the primary regenerator material, which is preferably formed from a stack of thin rings 24 made of Monel metal wire gauze with 200 meshes. Optionally, wound coils made of fine metal wire can also be used. The drawing shows that each of the above-mentioned sleeves connects to the space at the end of the working cylinder 1.
Each displacement piston 23 is firmly connected to an actuator rod 25, 251, which passes through a stuffing box 26 in the lower part of the casting and is articulated via a pivot connection 27 to one end of a rocker arm 28, which in turn is in its center 29 is pivotably mounted in the lower part of the base plate 30.
An arm 31 connected to the rocker arm 28 is connected via a rod 32 to a control member 33 controlled by a correspondingly designed control disk on the crankshaft 15, via which the two displacement pistons 23 alternately adapt to the phases of the Stirling cycle - and moved downwards.
It is assumed that the working medium is carbon dioxide and is initially fed into the two end spaces of the working cylinder 1 from a conventional reservoir via a reducing valve and non-return valves through openings 35 in the cylinder castings 7 and 8. Outlets 36 are provided with correspondingly arranged gas safety valves. The preferably dried gas can be fed to the cold cylinder at any desired pressure up to a maximum pressure of 28 atm.
Between each cylinder working space, that is to say the one end space of the working cylinder 1 and the adjacent cold space, that is to say the lower part of a displacement cylinder, a second regenerator 34 is provided, which is either composed of a series of fine-meshed gauze rings, as described above for the primary regenerator has been described, or the one consisting of coils of thin wire, e.g. B. nickel chrome wire of 0.025 mm in diameter, which are wound ge as compact coils. This secondary regenerator serves two different purposes.
On the one hand, it is suitable for storing a significant amount of heat during the compression phase of the cycle; this heat is absorbed by the expanding gas again, whereby the work that can be used during the expansion or working stroke increases very substantial Lich.
On the other hand, the secondary regenerator acts as a baffle filter or oil separator for the oil in the working cylinder 1; it prevents this oil from reaching the hot spaces of the displacement cylinders, where it decomposes and becomes a tar deposit or another tar product, e.g. B. tar coke, would settle, whereby the action of the primary regenerator 24 considerably disrupted who could.
The secondary regenerator 34 thus acts as a filter for the lubricant that comes from the working cylinder 1 in general in the form of mist; the regenerator can easily be arranged so that the lubricant deposited in it flows into a lubricant sump specially provided for this purpose.
The working process of the machine will now be explained in detail, on the assumption that in the particular example to be explained, the highest temperature reached by the working medium is T1 750 C and the lowest temperature TZ 50 C. The calculated theoretical efficiency at these temperature limits is 68.5 / o.
In the first stage of the cycle, the gas should expand isothermally in the working space of the cylinder to double its volume, where it absorbs the energy necessary for the performance of the mechanical work in the form of heat.
The unit of measure of one kilo of gas that expands in this way does the same work for one complete crankshaft revolution
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.in kcal, where R is the gas constant for every kilo of gas in mkg, I C, A the heat equivalent, that is
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kcal per mkg,
EMI0003.0035
the expansion ratio - in the present case 2 - and T1 is the absolute temperature of the expanding gas in degrees Kelvin. The work stored in the flywheels during this expansion stroke brings the machine through the other phases of the cycle.
In the second phase, the carbon dioxide flows through the regenerator at a constant volume, its temperature falling from the value T1 to the value T2. The amount of heat stored in the regenerator is r / 1 <I> - </I> c "<I> - </I> (T, -T.), Where possibly the specific heat of the gas and # 7i the The efficiency of the regenerator is, which should be assumed to be 979 / o.
In the third phase, the carbon dioxide is isothermally compressed by the piston of the machine to its original volume V. The (lost) heat given off per revolution of the crankshaft, which mainly goes into the cooling water jacket, is <I> A </I> # <I> R </I> # <I> T2 </I> * ln
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per kilo of compressed gas, where T2 is the absolute temperature in degrees Kelvin. The expression gives the heat equivalent of the work that is covered by the kinetic energy of the flywheels, whereby the secondary regenerator is initially not taken into account.
In the fourth phase, the carbon dioxide is pressed through the regenerator again into the hot cylinder chamber at a constant volume, with its temperature rising from TZ to T1.
The amount of heat absorbed from the regenerator is 171c, (TI-T.). The heat that cannot be recovered as a result of the losses in the regenerator is C .. <I> '</I> (T1 T2) <I>' </I> (1-17i) This heat loss is compensated by the external heating .
It can be shown by the corresponding calculation that when using carbon dioxide as the working medium and with a primary regenerator with an efficiency of 971 / o, the highest efficiency of the working process between temperatures of 750 and 50 C is about 60.2% .
It goes without saying that the figures just mentioned only represent theoretical efficiencies. Since tubular heating elements are used, as will be described below, the upper limit of the working temperature that the gas working in the cycle it reaches, about 780; Furthermore, the working pressure can be reduced to a value of 10.5 at.
In a practical embodiment of a machine as just described, however, the compression and expansion processes of the working medium differ in character from those of the purely isothermal process and because of the unavoidable pressure losses due to gas friction, the normal friction losses in sliding and against each other moving parts of the machine and finally due to heat losses caused by the heat radiation of the machine as a whole and by the direct heat transfer between the hot and cold parts inside the machine,
the actual total useful power efficiency is significantly lower. If the previously mentioned secondary heat generator is used, about 2.5% can be obtained. In small machines with an output of a few horsepower, the mechanical efficiency can go down to 70%, while in larger machines with 50 hp or more this efficiency can be 80 to 851 / o.
In the example described above, the speed of the machine is around 500 um and the double-acting piston has a stroke of 115 mm. The crankshaft and its bearings receive centrifugal oil lubrication within the crankcase and the working piston in cylinder 1 is lubricated with pressurized oil by a pump driven by the machine. In order to keep the working spaces gas-tight, stuffing boxes are provided on the piston rod and the Stan conditions of the displacement piston. These stuffing boxes can, for. B. from Trist-Fiber be available.
The hot chambers are made of a heat-resistant alloy that is extremely resistant to scaling and is therefore safe against oxidic corrosion even at the high temperatures that occur in the machine and which also has correspondingly high strength and creep resistance values.
A suitable alloy for the hot chambers can, for. B. be composed as follows:
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Carbon <SEP> 0.40 / 0
<tb> Manganese <SEP> <B> 0.81 / 0 </B>
<tb> silicon <SEP> 1.0%
<tb> Nickel <SEP> 13.0%
<tb> Chrome <SEP> <B> 13,011 / 9 </B>
<tb> Cobalt <SEP> <B> 10.00 / 0 </B>
<tb> molybdenum <SEP> 2.0%
<tb> Niobium <SEP> <B> 3.01 / o </B>
<tb> Tungsten <SEP> <B> 2.50 / 9 </B>
<tb> rest <SEP> iron The construction of the hot chamber is such that the chamber walls are only subjected to internal compressive forces, but not to a combination of internal compressive forces and the greater thermal expansion forces.
For this purpose, the hot inlet of the regenerator is connected to the hot room by a large number of metal pipes made of the same heat-resistant alloy. In the example described, these tubes have an outer diameter of approximately 8 mm and an inner bore of approximately 2.5 mm. The tubes are expediently provided with ribs in the area of their length that is exposed to the hot gases of the combustion chamber, so that they have the additional outer surface that is necessary to absorb a sufficient amount of heat from the heating gases.
In the example described above, a complete set of heating tubes is provided for each hot room, which is composed of 35 individual tubes - so that a total of 70 tubes are required for the entire machine - the upper ends of which into the outer end of each hot cylinder upper part and the lower ends of which are welded into the hot inlet wall of the regenerator. The finned length of each tube is approximately 330 mm.
In order to prevent the occurrence of destructive stresses in the individual tubes of a fully assembled heating tube set, which are to be feared as a result of the thermal expansions when the temperature rises to a value of 800 C, these tubes receive circular bends near their ends, such as they are shown in FIG.
The walls of the hot rooms of the machine can also be secured against deformations as a result of internal excess pressures by providing the outer surfaces of the walls of the machine delimiting the hot rooms with turns of a tungsten metal wire or strip, preferably drawn under elastic tension.
It is easily possible to arrange several (4 or more) working cylinders in any suitable way so that their working pistons either work together on a crankshaft or are connected in an appropriate manner to a swash plate drive. If desired, the piston can also influence the spaces of two processes, in the sense that each cylinder has a hot cylinder space at one end, with a displacement piston screwed to the working piston.
The upper end of each hot cylinder chamber is connected via a pipe to the lower end of the next cylinder, the piston of which works offset by 90 on the common crankshaft. If a crankshaft tri.eb is used, it is advisable to arrange the cylinder units in pairs, with each cylinder pair arranged in a V-shape at 90 angles. Any number of cylinder groups arranged in a V-shape can be positioned one behind the other and work on a common crankshaft, with their connecting rod pairs each engaging a common crank.
Although the use of carbon dioxide is preferred as the working medium, this gas can of course be replaced by one or more inert gases such as nitrogen, helium, argon or neon, or used in a mixture with these gases; it is only necessary to ensure that the gas used in the process is completely dry, i.e. free of water.
In Figs. 2, 3 and 4, a different form of implementation of the heat engine is shown, which is intended to work according to the Ericsson heat cycle. This different Ausfüh approximate form of the machine has two cylinders 41 and 42, which are arranged in a V-arrangement with axes inclined at right angles to each other on the crankcase 43, which in turn is under a gas pressure of about 17 atm.
This crankshaft housing is welded together from individual parts, the material used is a steel with 0.40% carbon and 0.45% manganese, which was melted in a basic Siemens-Martin steel furnace. One cylinder unit 41 of the cylinder group is a working unit, while the other cylinder unit 42 acts as a two-stage compressor.
The upper part of the working cylinder unit consists of a hot cylinder chamber 44 into which a slight displacement piston 45 dips with play. At its lower end, the hot cylinder 44 is screwed to the cast iron and provided with a water cooling jacket cylinder 41, which has the same inner bore diameter as the hot cylinder 44. The cast iron used to manufacture the cylinder 41 is preferably an alloyed iron with high tensile strength. A working piston 46 made of cast iron, which is fitted exactly into the cylinder 41 and is equipped with piston rings 47, slides back and forth in the cylinder 41 which is machined to the exact size.
The light displacement piston 45 and the hot Zylin derteil 44 are made of that heat-resistant alloy that was already mentioned in connection with the description of FIG. The displacement piston 45 is hollow and filled with a neutral, light powder, such as magnesium oxide or microporous kieselguhr (silica), both of which are good and high-temperature resistant thermal insulators. The displacement piston 45 is fixedly attached to the upper end of the working piston 46, so that the two pistons form a unit with the same diameter at their connection point.
The displacement piston 45 tapers slightly conically from its connection point with the working piston 46 to its upper end in the direction of the cover of the hot cylinder part 44.
The upper part of the compressor cylinder unit consists of a high pressure cylinder 48 which is surrounded by a cooling water jacket 49. An end cooler 50 in the form of a tube fitted with cooling fins connects the high pressure cylinder 48 (see FIG. 2) with the gas storage bottle 51. The cooling water jacket 49 has special inlets and outlets for the circulation of the cooling water. The lower end of the high pressure cylinder 48 is attached with its flange-like end portion to the upper end of the cylinder 42 unte Ren.
This cylinder 42 also has a cooling water jacket 53; separate inlets and outlets allow the cooling water to circulate. A pressure equalization tank 70, which has a safety valve 71 and a blow-off cock 72, is connected between the first and second compressor stages. The connecting line leads through the intercooler 52.
The compressor piston 54 sliding in the cylinder 42 is connected at its upper end to the high pressure compressor piston, which in turn works in the cylinder 48. Both compressor cylinders are made of cast iron with high tensile strength; the composite piston is also made of cast iron. The connecting rods of both pistons, namely the working piston 46 and the compressor piston 54, engage with their bearing heads on a common crank pin 55 of the crankshaft of the machine, on which a counterweight 56 is arranged, which serves as a counterweight.
The weight of this balance weight, based on its center of gravity lever arm, is roughly equal to the sum of the weights of the two connecting rod ends, the crank pin, the crank webs, the weight of a piston, a piston pin and a connecting rod, less the weight of the connecting rod end. It is assumed that each piston combination with its connecting rod we sentlichen is just as heavy and has approximately the same radial length as the other piston combination. The crankshaft 57 is mounted in crankshaft bearings 58 and carries a flywheel 59 and a pair of control cams 60 and 61, of which two valves 62 and 63 are actuated.
The valves are arranged in the base plate of the regenerator 64, from which a group of heating tubes 65 leads through a combustion chamber to the upper end of the hot cylinder space 44 of the working cylinder. In addition, an inlet pipe 66 is connected to the regenerator 64 and leads to the gas storage bottle 51; an outlet pipe 73, which leads to the cooler 67, also extends from it. Usually the regenerator is filled with fine metal gauze.
The heating tubes - of which about seventy are provided - have a ribbed central part (see. Fig. 5), which is about 600 mm long and a cross section as shown in FIG. The heating pipes are designed according to FIG. 5; the circular arcs 75 shown in this figure are provided in order to prevent the occurrence of inadmissibly high stresses and deformations due to thermal expansion. The control cams 60 and 61, the two compressor cylinders, their pistons and the inlet and outlet valves are lubricated.
The combustion chamber can have any shape; it is isolated on its outer surface by a layer of microporous silica about 5 cm thick. The hot cylinder spaces and the upper parts of the regenerator are similarly insulated on their outer surface, also with microporous silica. In all cases, the insulating material is enclosed in a shiny aluminum cover.
The walls of the combustion chamber, which have to withstand a temperature of 850 C, are made of a special, heat-resistant alloy that is sufficiently strong at 850 C and does not scale up to temperatures of 1100 C under the influence of the fire gases . The composition of this alloy is:
EMI0006.0004
Nickel <SEP> 20.01 / 0
<tb> Chrome <SEP> <B> 25.00 / 0 </B>
<tb> silicon <SEP> <B> 1.51 / 0 </B>
<tb> carbon <SEP> 0.15%
<tb> remainder <SEP> iron The entire length of the inner wall surface of the hot cylinder space is insulated against heat absorption by a 6 mm thick layer of microporous silica.
The layer is conveniently in a shell made of a special alloy such. B. stainless steel well-known type, included. This shell adapts exactly to the inner surface of the walls of the hot cylinder room over their entire length. However, it allows the displacement piston to move freely under all circumstances.
The alloy used to produce the hot cylinder space of the machine can be the same as that used for the production of the hot cylinder spaces of the machine described with reference to Fig.l; the heating tubes are also made from the same heat-resistant alloy. The regenerator expediently consists of a Monel metal gauze with 200 meshes and is made up of a large number of disks which are punched out of the gauze and pressed tightly one above the other into the cylindrical cylinder space of the regenerator housing.
To operate the machine, carbon dioxide is used as the operating gas at pressures between 17 and 56 ata and at an approximate temperature of 38 ° C. The carbon dioxide gas, which is compressed to 56 ata in two stages, is fed into the gas bottle 51, from which the machine takes the amount of gas required for each expansion stroke.
The gas inlet and the gas outlet of the hot cylinder chamber are controlled by two valves 62 and 63, which are moved via cams, for each work cycle; the profile of each cam is designed in such a way that the opening and closing of the two valves are precisely coordinated and carried out in the correct chronological order. The cams are driven by the crankshaft of the machine in such a way that they open and close once each time the crankshaft rotates completely.
When the high-pressure inlet valve is opened, the cold gas flows at a pressure of 56 ata through the regenerator, the thermal efficiency of which is 98%, and then through the tubular heating element 65, the metallic walls of which are usually kept at a temperature of 800 ° C. to the upper end of the hot cylinder space 44. The inlet valve closes immediately when the amount of gas required for a work cycle has entered the hot cylinder space.
This gas volume, which has warmed up to a temperature of 780 C in the regenerator and the heating tubes, could expand to 4.34 times its volume if you only take into account the contents of the hot cylinder space. The gas volume actually participating in the expansion is, however, the sum of the gas volumes in the tubular heating ducts and in the spaces between the regenerator, which is tightly packed with gauze, and the volume of gas that had already entered the expansion cylinder itself at the start of the expansion process.
The actually expanding volume in this case is 1.44 times the volume of the hot cylinder, so the actual expansion ratio is only 3.32. During its expansion process, the gas pushes the working piston downwards, doing useful work.
In the present case, the expansion process is approximately an isothermal expansion process. If the efficiency of the regenerator is set to 1, the work done in the expansion cylinder during one revolution of the machine shaft per kilo of the expanding gas is given by the relation, where A is the heat equivalent,
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R is the gas constant, based on 1 kg of carbon dioxide, Ti is the absolute temperature at which the expansion takes place and p 1 and p2 mean the initial and final pressure. The temperature T1 in the present case is 1052 K; the expansion ratio
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is - as already stated above 3.32.
The subsequent compression process takes place in two stages, with each of the stages having the same compression ratio, namely the square root of the value, i.e. 1.82. If one assumes again
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That the compression process as a whole comes close to an isothermal compression in its character, it can be shown that the entire workload for carrying out the compression process is due to the printout
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given is. In the present case, the temperature T2 should be set at 310 K.
The carbon dioxide gas used in the work process, which at temperatures of 780 C or higher, behaves close to that of an ideal gas, deviates significantly from the behavior of an ideal gas at temperatures in the range of 38 C or below. At these low temperatures, carbon dioxide can be compressed much more strongly than an ideal gas, and the work required to compress it to a small volume is much less than the work that results from evaluating the printout
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he gives.
This deviation from the behavior of an ideal gas in the range of the compression temperature in question in the present process makes carbon dioxide particularly suitable for carrying out the work process, as it increases the overall efficiency. The embodiment of the heat engine working according to the Ericsson heat cycle, as just described, has the following peculiarities: Tubular radiator ca) The pressure drop between the beginning and end of the heating tubes is 0.45 at at a machine speed of 960 U m and 56 ata working pressure.
b) The Nusselt number for the heat transfer from the walls of the radiators with a wall temperature of 8001 C to the working medium under 56 ata pressure is 214.
c) The thermal stresses in the walls of the radiators are less than 49 kg, 'cm ", when the machine is fully loaded.
Cooler d) The pressure loss in the intercooler 50 is 0.47 at; e) The pressure loss in the intercooler 52 is 0.28 at; f) The pressure loss in the intercooler 67 is 0.32 at.
The total pressure loss in the coolers = <B> 1.07 </B> at.
The total pressure loss in the tubular radiators and the intercoolers is 1.53 at or approximately 411 / o of the mean working pressure of 36.6 at. The tangential tensile stresses in the material are negligible.
When designing large machine units, the construction can be considerably simplified if the machines are made to work according to the Ericsson thermal cycle. In this case, two completely identical expansion cylinder units can be provided at right angles to each other in a V-arrangement, their identical piston and connecting rods working on a common pin of the crankshaft and being balanced by a common counterbalance with regard to inertia forces. The inside diameter of an expansion cylinder can be made up to 500 mm and the piston stroke can also be made about 500 mm.
Two regenerators will also be used, each of which has its own particular inlet and outlet valves operated by the common crankshaft. The compressor could be a specially designed compressor, which can be driven by the crankshaft of the machine with the gear ratio considered appropriate.
In the case of machines with particularly high output, four or more expansion cylinder units that are completely identical to one another can be coupled in a right-angled V arrangement with a common crankshaft, as described above. In such a case, however, only two regenerator units would be necessary, since a complete regenerator with its special, cam-controlled valves can feed two or more expansion cylinder units.
The tubular Heizkör units for any number of expansion cylinder units could all be welded into the common head of a regenerator with their heating pipes. For such a large machine unit one only needs to use one compressor, which is driven by the common crankshaft via an appropriately selected transmission gear. So z. B. for such a large machine a so-called isothermal centrifugal compressor, as it is commercially available today, with a speed of z. B. 2800 U / m are driven by a corresponding transmission gear from the common crankshaft.