DE102005027704A1

DE102005027704A1 - Verbesserte Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: DE102005027704A1
Application number: DE102005027704A
Authority: DE
Inventors: Edmund F. Nagel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2006-12-07

Abstract

Erfindungsgemäß ist eine verbesserte Wärmekraftmaschine mit kontinuierlicher Verbrennung vorgesehen, wobei diese eine Hochdruck-Dampfstrahlpumpe zum Fördern von Verbrennungsluft, einen Brenner zum Zuführen von Wärmeenergie zum Arbeitsmedium, eine Brennerdüse zum Entspannen des Arbeitsmediums bis auf annähernd atmosphärischen Druck und eine Turbine zum Wandeln der kinetischen Energie des Arbeitsmediums in mechanische Leistung aufweist, und wobei ein rekuperativer Wärmetauscher mit einem Dampfwärmetauscher zur Erzeugung des Treibdampfes der Hochdruck-Dampfstrahlpumpe und zum Vorwärmen der Verbrennungsluft zwischen der Brenneraustrittsdüse und der Turbine vorgesehen ist. Ferner ist ein Verfahren zum Betreiben einer verbesserten Wärmekraftmaschine und eine für die Verwendung mit der verbesserten Wärmekraftmaschine optimierte Radialturbine angegeben. Hierdurch wird eine verbesserte Wärmekraftmaschine unter Vermeidung mechanischer Komponenten zum Fördern und/oder Komprimieren eines Arbeitsmediums bereitgestellt. Ferner wird der Gesamtwirkungsgrad der Wärmekraftmaschine deutlich verbessert. Schließlich ist die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kostengünstig herstellbar und umweltfreundlich zu betreiben.

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Wärmekraftmaschine mit kontinuierlicher Verbrennung, wobei diese eine Hochdruck-Dampfstrahlpumpe zum Fördern von Verbrennungsluft, einen Brenner zum Zuführen von Wärmeenergie zum Arbeitsmedium, eine Brennerdüse zum Entspannen des Arbeitsmediums bis auf annähernd atmosphärischen Druck und eine Turbine zum Wandeln der kinetischen Energie des Arbeitsmediums in mechanische Leistung aufweist.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer verbesserten Wärmekraftmaschine mit kontinuierlichem und annähernd adiabatischem Abbrand von Luftsauerstoff und Treibstoff über atmosphärischen Druck, der nach Abbrand bis annähernd atmosphärischen Druck entspannt wird, sowie mit nachfolgender Umwandlung der so gewonnenen Strömungsenergie des Abgases in Wellenleistung an einer Turbinenwelle.
Schließlich betrifft die Erfindung eine für die Verwendung mit der verbesserten Wärmekraftmaschine optimierte Radialturbine.

Derartige Wärmekraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So offenbart die DE 560 273 A eine Gasdampfturbine für ein aus Dampf, Verbrennungsgasen und Mischluft bestehendes Arbeitsmedium. Dabei wird die durch einen mechanischen Kompressor vorverdichtete Umgebungsluft durch die Injektorwirkung von Hochdruckheißdampf auf einen höheren Druck gebracht und anschließend zusammen mit flüssigem Brennstoff in die Brennkammer eingeblasen. Die Dampferzeugung erfolgt in einem Wärmetauscher in der Brennkammer. Das in der Brennkammer erwärmte Arbeitsmedium wird in einer mehrstufigen Axialturbine in mechanische Energie gewandelt, die zum Teil zum Antrieb des Kompressors dient.

Die US 2 542 953 A beschreibt eine Wärmekraftmaschine, bei der kein mechanischer Kompressor verwendet wird, um die Verbrennungsluft zu verdichten und zusammen mit dem flüssigen Brennstoff unter Druck in die Brennkammer einzubringen. Die Einbringung und Verdichtung der Verbrennungsluft geschieht mit einem Strahl verdampften Brennstoffes, der mit hoher Geschwindigkeit in die Brennkammer strömt. Der flüssige Brennstoff wird hier zunächst über eine mechanische Hochdruckpumpe und ein Rohrsystem in eine Mischdüse eingespritzt. Die Hochdruckpumpe wird dabei von der Turbine angetrieben. Das Abgas wärmt das Verbrennungsluft/Brennstoff – Gemisch in einem Wärmetauscher vor. Bei einer Ausführungsform der Wärmekraftmaschine in der US 2 542 953 A erfolgt die Verdampfung des Hochdruck – Brennstoffs in einem Wärmetauscher in der Brennkammer.

Nachteilig bei diesem bekannten Stand der Technik ist es, dass ein Teil der mechanischen Wellenleistung für den Antrieb eines Kompressors oder einer Hochdruck – Kraftstoffpumpe benötigt wird. Ferner wird den bekannten Systemen Wärmeenergie durch Anordnung von Wärmetauschern in der Brennkammer entzogen.

Um diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, wird in der US 5 983 640 A eine Wärmekraftmaschine angegeben, die im wesentlichen aus einem Dampferzeuger, einer Dampfstrahlpumpe und einer Turbine besteht. Mit Hilfe der Dampfstrahlpumpe wird Umgebungsluft angesaugt, und das entstehende Luft-/Dampfgemisch expandiert in der Turbine und gibt dadurch Leistung ab.

Bei letztgenanntem System ist es allerdings nachteilig, dass aufgrund des an der Umgebungsluft kondensierenden Dampfes lediglich Injektorwirkungsgrade von etwa 5% erzielt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte Wärmekraftmaschine unter Vermeidung mechanischer Komponenten zum Fördern und/oder Komprimieren eines Arbeitsmediums bereitzustellen. Ferner soll der Gesamtwirkungsgrad der Wärmekraftmaschine deutlich verbessert werden. Schließlich soll die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine kostengünstig herstellbar und umweltfreundlich zu betreiben sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmekraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Ferner ist in Patentanspruch 10 ein erfindungsgemäßes Arbeitsverfahren angegeben. Patentanspruch 18 beschreibt eine für die Verwendung mit der verbesserten Wärmekraftmaschine optimierte Radialturbine

Durch die Verwendung einer Hochdruck-Dampfstrahlpumpe zum Verdichten und Transportieren der Verbrennungsluft in den Brenner entfallen bewegliche Verdichterbauteile. Diese verursachen in den bekannten Gasturbinenanlagen erheblichen Energieaufwand, welcher von der Abgasturbine zu erbringen ist. Durch den gänzlichen Entfall der gebräuchlichen mechanischen Verdichter und deren vollständiger Ersatz durch eine Dampfstrahlpumpe, welche fast nur mit regenerativer Energie betrieben wird, gelingt vor allem die zur Verfügung Stellung einer einfachen und kostengünstig herstellbaren Wärmekraftmaschine, die quasi wartungsfrei betrieben werden kann.

Dampfstrahlpumpen – auch unter der Bezeichnung „Injektor" bekannt – werden im Regelfall als Speisewasserpumpen für Dampfkessel eingesetzt. Dazu eignen sie sich durch ihre sehr einfache und wartungsfreie Bauart bestens. Durch die Berührung des Dampf-Treibstrahles mit dem zu pumpenden Wasser, implodiert der Dampf im Injektorrohr schlagartig. Dies erzeugt einen (zusätzlich) pumpend wirkenden Unterdruck in der Flüssigkeit.

Zum Betreiben einer Wärmekraftmaschinen konnten Dampfstrahlpumpen zum Verdichten der Verbrennungsluft bis dato nicht real eingesetzt werden. Es wurden extrem schlechte Wirkungsgrade erzielt. Dieser schlechte Wirkungsgrad resultiert daraus, dass der Dampf, der in der Treibdüse Arbeit leistet, sich stark abkühlt und sich Wassertröpfchen im Dampf bilden. Der Dampf geht also in den Zustand des Nassdampfes über. Diese Flüssigkeitsanteile haben gegenüber Dampf ein mindestens 1000-fach geringeres Gewichtsvolumen. Sie treffen durch ihr geringes Volumen entsprechend seltener auf ein zu pumpendes Gasmolekül der Luft. Die Pumpwirkung von Flüssigkeit gegenüber Luft nähert sich folglich Null.

Erfindungsgemäß wird innerhalb der Injektorkammer, mittels der im rekuperativen Gegenstromwärmetauscher zum Abgas über der Kondensationstemperatur des Dampfes vorgewärmten Verbrennungsluft, das Kondenswasser im Treibstrahldampf großteils verdampft. Ein nicht verdampfter Teil von Wassertropfen erfährt durch die Wirkung der Leitflügel ein Verdampfen an der Injektorwand. Die Leitflügel im Ansaugkanal der Dampfstrahlpumpe erzeugen einen Drall um die Strömungsachse des Dampf-/Luftgemisches. Durch die Zentrifugalkräfte im Dampf werden Wassertröpfchen an die Injektorwand geschleudert. Die Injektorwand ist thermisch mit dem Brenner verbunden und besitzt eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit, um soviel Wärme aus dem Brenner zu leiten, dass eine Temperatur an den Injektorwänden erreicht wird, die aufprallende Wassertröpfchen sofort verdampft. Der Drall im Gas erhält sich durch die gesamte Maschine. Dadurch treten eine Vielzahl nützlicher Wirkungen auf.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen Injektor und Brenner ein diffusorförmiger Nachverdampfer vorgesehen, wobei die Nachverdampferwand eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweist, um ausreichend Wärme vom Brenner zum Verdampfen von anprallenden Dampf-Kondensattröpfchen zu verschleppen. Hierdurch wird der oben beschriebene Effekt noch verstärkt.

Im Brenner werden erfindungsgemäß Treibstofftröpfchen durch Zentrifugalkräfte an die sehr heißen Brennerwände geschleudert. Sie verdampfen augenblicklich und zünden. Durch diese technische Einrichtung sind einerseits auch schlecht brennende Treibstoffe verwendbar und anderseits auch schlecht zerstäubbare Treibstoffe (z.B. Schweröl) verwendbar. Die Austrittsdüse des Brenners hat die Aufgabe, den Gasdruck im Brenner mit Eintritt in den Wärmetauscher völlig in Strömungsenergie des Gases zu wandeln.

Erfindungsgemäß führt die Wirkung des Dralls im Gas, im Wärmetauscher zu einem Anpressen des, in der Brennerdüse völlig entspannten Abgases an die Wärmetauscherwand. Dadurch kann auf eine sonst, wegen der Volumenabnahme des Gases durch Wärmeentzug erforderliche dynamische, allmähliche Verjüngung des Tauscherrohr-Querschnittes verzichtet werden. Es steigt zwar der zur Mitte des Rohres hin wirkende Unterdruck, er ist aber zu vernachlässigen, da der Anpressdruck über den Steigungswinkel des Gasdralls, also letztlich den Anstellwinkel der Leitflügel, höher festgelegt werden kann, als der Gegendruck des Unterdruckes.

Dabei sind vorteilhafterweise in den Strömungskanal der Luft, bzw. des Luft-Dampfgemisches bzw. in die Brennerdüse eingelassene Leitflügel, bzw. in die Treibstrahldüse eingelassene Dampfleitnuten vorgesehen, um das jeweilige Strömungsmedium, wie oben beschrieben, in eine Drallbewegung um die Strömungsachse zu versetzen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist als Brennerauslassdüse eine Lavaldüse vorgesehen. Hierdurch wird der Druck in Überschallgeschwindigkeit gewandelt.

Erfindungsgemäß nimmt die Geschwindigkeit des Abgases im Wärmetauscher, der als rundes annähernd geradlinig verlaufendes Rohr mit technisch glatter Wand ausgebildet ist, nicht ab. Das Abgas verdünnt sich lediglich – durch den Wärmeentzug – die umfänglich im Rohr drallförmig strömende Abgasschicht. Ebenso nimmt das Gewicht des Gases natürlich nicht ab, womit in Summe – aus Masse mal Geschwindigkeit – die Wirkung an der Strömungsturbine immer gleich groß bleibt – ob mit und ohne Entzug von regenerativer Wärme. Durch den gänzlichen Entfall einer, von der Abgasturbine angetriebenen Verdichterturbine und deren vollständiger Ersatz durch eine Dampfstrahlpumpe, welche fast nur mit regenerativer Energie betrieben wird, wird eine Wirkungsgradsteigerung gegenüber herkömmlicher Gasturbinenanlagen von ca. 25% erzielt. Der zur Erbringung der erforderlichen rekuperativen Wärme notwendige Bauteil, der Wärmetauscher, besteht abgasseitig aus einem runden und geradlinigen Wärmetauscherrohr und ist im Gegenstrom zur Luft und zum Dampf zwischen die Austrittsdüse des Brenners und der nachgeschalteten Strömungsturbine geschaltet.

Vorteilhafterweise wird dabei als Strömungsturbine eine Radial-Gleichdruckturbine vorgesehen. Diese ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar und ist darüberhinaus auch quasi wartungsfrei.

Das Verfahren zum Betreiben einer verbesserten Wärmekraftmaschine, bei der mittels Leitflügeln das Luftdampfgemisch und nachfolgend das Gemisch im Brenner und das Abgas im Wärmetauscher in eine Drallbewegung um die Strömungsachse des Gases versetzt wird, erzielt Effekte, wonach kondensierende Wassertröpfchen durch Zentrifugalkraft an die heißen Injektorwandungen geschleudert werden, um sie zumindest teilweise zu verdampfen. Mittels dieser Drallbewegung werden auch Treibstofftröpfchen an die heiße Brennerwand geschleudert, welche sofort verdampfen und zünden. Des Weiteren wird das Abgas im Wärmetauscher durch diese Zentrifugalkraft unter Erhöhung des Wärmeübergangs an die Wärmetauscherwand gepresst.

Die gegenständliche Erfindung der Wärmekraftmaschine weist des Weiteren Merkmale auf, wonach der Wärmetauscher abgasseitig technisch glatt ist und/oder eine Oberflächenbeschaffenheit (z.B. Keramikbeschichtung) aufweist, welche das Anhaften von Verbrennungsrückständen verringert. Die Verbrennungsluft wird mittels des vom nachgeschalteten Hochdruck-Dampfstrahlpumpe erzeugten Unterdruck in den Wärmetauscher gefördert. Der Dampf wird nach dem Passieren des Wärmetauschers dem Dampfüberhitzer mit Wärmetauscher zum Brenner zugeführt. Das Gegenstromprinzip des Wärmetauschers erlaubt eine derart weitreichende rekuperative Ausbeute der Abgaswärme, dass am Austritt des Abgases nur noch der Wärmeinhalt der Verdampfungsenthalpie des Speisewassers vorhanden ist. Diese Abwärme ist verloren, bzw. nur noch für Heizzwecke nutzbar. Die Verdampfungsenthalpie erreicht erfindungsgemäß cirka 16 % des Treibstoff-Gesamtenergiegehaltes. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird dabei die vom Injektor anzusaugende Verbrennungsluft im Wärmetauscher über die Kondensationstemperatur des Dampfes erwärmt. Dermaßen sinkt die Temperatur des Abgases bis zur nachgeschalteten Strömungsturbine auf ca. 100°C. Die materialtechnischen Anforderungen sinken dadurch erheblich, für die Herstellung solcher Turbinen kommen auf Grund der niedrigen Temperaturen auch Kunststoffe in Frage.

Aus dem Stand der Technik sind Axialturbinen als höchst effizient bekannt, da sie effektive Wirkungsgrade von > 90 % ermöglichen. Nachteilig an diesen Axialturbinen ist allerdings, dass sie im Regelfall mehrere hundert Schaufeln aufweist, von denen insbesondere die Rotorschaufeln hohen Materialanforderungen genügen müssen. Ferner ist die Herstellung und Wartung derartiger Turbinen sehr aufwendig, da diese unter anderem bei jeden Zusammenbau dynamisch gewuchtet werden muß. Ferner weist die bekannte Axialturbine den Nachteil auf, dass deren Totraum ca. 50% des beanspruchten Volumens einnimmt.

Ferner sind aus dem Stand der Technik Radialturbinen bekannt. Diese sind um ein vielfaches einfacher und kostengünstiger herzustellen, als die oben beschriebenen Axialturbinen. Allerdings weisen die bekannten Radialturbinen aber den Nachteil auf, dass die kinetische Energie eines strömenden Mediums auf höchstens drei hintereinander geschalteten Schaufeln gewandelt wird. Dies gelingt bei Wasser, da dieses meist nur Strömungsgeschwindigkeiten von 30 m/sec bis 50 m/sec erreicht werden.

Das hier zu Grunde liegende technische Problem ist also, eine einfach und kostengünstig herstellbare Turbine zur Verfügung zu stellen, die dabei dennoch hohe Wirkungsgrade erzielt und für Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 2000 m/sec geeignet ist.

Dieses Problem wird durch eine Radialturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Radialturbine, insbesondere für eine verbesserte Wärmekraftmaschine, zeichnet sich dadurch aus, dass sie als statorlose Gleichdruckturbine ausgebildet ist. Diese ist einfach und kostengünstig herstellbar und weist keinerlei Totraum auf, da sie nur aus Leitkanälen und deren Wänden, sowie dem eng anliegenden Gehäuse besteht. Dadurch steigt das Leistungsvolumen auf das Doppelte gegenüber bekannten Axialturbinen. Der Druck vor und hinter der Turbine kann dabei beispielsweise atmosphärischer Druck sein. Die Turbineneintrittsgeschwindigkeit des Strömungsmediums kann dabei beispielsweise 2000 m/sec betragen. Gegenüber bekannten Radialturbinen erfolgt die Umlenkung des Strömungsmediums erfindungsgemäß statorlos.

Vorteilhafterweise weist die Radialturbine aktive Umlenk- und Reaktionsflächen am Rotor auf. Diese können beispielsweise durch an einem Strömungskanal angeordneten Rampen oder aber durch einzelne Schaufeln gebildet sein. Dank dieser Aktivflächen sind keine Statoren erforderlich bzw. man könnte auch sagen, dass sich der Stator jeder Umlenkung erfindungsgemäß mit der Rotorscheibe mitdreht. Dabei befinden sich beispielsweise mehr als 20 Umlenk- und Reaktionsflächen auf dem Rotor, so dass hier bei einer Turbineneintrittsgeschwindigkeit von ca. 2000 m/sec ein Nettowirkungsgrad der Turbine von über 90% erzielt werden kann. Dabei ist der Auftreffwinkel des Strömungsmediums auf die Umlenkflächen bzw. die Schaufeln vorteilhafterweise kleiner 45°, vorzugsweise 20° bis 30°. Hierdurch entstehen geringere innere Verluste durch viele flache Stöße als durch wenige steile Stöße. Die Kanalwände sollten dabei möglichst glatt sein und die Umlenkflächen möglichst gleichförmig ansteigen. Die Radialturbine weist dabei vorteilhafterweise einen spiralförmigen, spezifisch profilierten Strömungskanal aufweist. Hierdurch wird beispielsweise ein für ein Drehmoment des Rotors wirksamer Gasstrahl aus seiner tangentialen Kreisbahn abgelenkt und zur Achsmitte hin oder abgelenkt. Umgekehrt kann die erfindungsgemäße Radialturbine aber auch vom Zentrum zum Außenumfang hin durchströmt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Turbinenlaufrad der Radialturbine aus Kunststoff hergestellt ist. Hierfür sind niedrige Turbineneintrittstemperaturen, beispielsweise um die 100°C, Voraussetzung. Dabei können faserverstärkte oder unverstärkte thermoplastische Kunststoffe, beispielsweise PPS, PPE, PI, PP, PA, ABS oder ASA Verwendung. Alternativ können auch als Gießharze, vorimprägnierte Prepregs oder Formmassen zur Verfügung stehende faserverstärkte Duroplaste zur Anwendung kommen. Hier kommen beispielsweise Phenolharze, Aminoplaste, Ungesättigte Polyesterharze oder Epoxidharze zur Anwendung. Derartige Werkstoffe können auch für das Turbinengehäuse verwendet werden. Die Herstellung kann entweder im Gießverfahren, durch Auflagen oder durch spanabhebende Bearbeitung erfolgen. Alternativ können die erfindungsgemäßen Turbinen auch aus niedrig legiertem Stahl hergestellt werden.

Die Radialturbine ist dabei vorteilhafterweise zur Anströmung mit einer Überschallströmung, d.h. zum Umsetzen vieler kleiner Druckstöße in Wellenleistung ausgebildet.

Derartige verbesserte Wärmekraftmaschinen können beispielsweise in abgelegenen Gebieten ohne vorhandene Infrastruktur nahezu wartungsfrei betrieben werden. Dabei können auch nachwachsende Rohstoffe, wie beispielsweise Rappsöl oder Kokosöl als Brennstoff zur Anwendung kommen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen zusammen mit den beigefügten Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
1 einen Schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine entlang der Linen A-A;
2 einen Schnitt entlang der Linie B-B;
3 einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine entlang der Linie A-A mit parallel angeordneten Wärmetauschern;
4 einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine entlang der Linie A-A mit selektiv angeordneten Wärmetauschern;
5 einen schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine entlang der Linie B-B;
6 einen schematischen Verlauf der Temperatur, Geschwindigkeit und des Drucks dargestellt über einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen verbesserten Wärmekraftmaschine;
7 einen schematischen Schnitt durch die Injektordüse einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen verbesserten Wärmekraftmaschine gemäss 6 entlang der Linie A-A;.
8 eine schematische Aufsicht auf eine Radialturbine gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Gehäuseabdeckung;
9 einen schematischen Schnitt durch die erfindungsgemäße Radialturbine gemäß 8 entlang der Linie A-A;
10 einen schematischen Querschnitt durch eine Radialturbine gemäß der vorliegenden Erfindung;
11 eine schematische Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform Radialturbine gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Gehäuseabdeckung;
12 einen schematischen Schnitt durch die erfindungsgemäße Radialturbine gemäß 11.
Bei der in 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ist einer Hochdruck-Dampfstrahlpumpe (7) nach der Treibstoffeinspritzung (9) ein konischer Brenner (11) nachgeschaltet. Das Abgas aus diesem Druckbrenner (11) strömt über die Brennerdüse (14) in den Wärmetauscher. An der Brennerdüse (14) wird der Druck des Gases vollständig entspannt. Es werden Werte von mehreren 1/10 bar über atmosphärischem Druck erreicht. Das Gas strömt beim üblichen Brennergasdruck von 50 bis 100 bar mit einer Geschwindigkeit von mehreren km/sec durch den Strömungsspalt (29). Dabei werden Wärmeübergangskoeffizienten von > 500 W/m²K erreicht. Im Wärmetauscher (18) gibt das Abgas an den Speisewasser/Dampfwärmetauscher (15) und den Verbrennungsluftwärmetauscher (17) Wärme ab. Das Abgas verliert bis zum Abströmkonus (19) durch die Wärmeabgabe ca. 65% jenes Volumens, welches es beim Tauschereintritt an der Brennerdüse (14) hatte. Der Austrittskonus (19) mündet in die Abgas-Strömungsturbine (20), welche über die Kraftabgabewelle (21) den Generator (31) antreibt.
Die Verbrennungsluft wird über den umlaufenden Spalt der Ansaugöffnung (30) aus der Umgebung angesaugt und im Verbrennungsluft-Wärmetauscher (17) erwärmt. Über die Verbrennungsluftanschlüsse (16) strömt die Luft durch Verbrennungsluftleitungen (6) zu den Luftleitungsanschlüssen (2) in den Injektorkopf (1). Gleichzeitig wird aus dem Speisewassertank (26) durch die Speisewasserpumpe (25) Wasser gefördert und mit einem Druck von über 300 bar über den Speisewasseranschluss (24) in den Dampferzeuger (15) gedrückt. Das Speisewasser verdampft im Dampferzeuger (15) durch die Zuführung regenerativer Wärme aus dem Abgas. Unter besagtem Höchstdruck verlässt der Dampf den ersten Wärmetauscher (15), der mit Wärme aus dem Abgas nach der Brennerdüse (14) versorgt wird. Der Dampf strömt in den Dampfüberhitzer (13), dessen Wärmetauscheroberfläche Temperaturen um die 1000°C aufweist. Der Dampf wird in diesem Tauscher (13) auf weit über 300°C und bis zu etwa 600°C überhitzt. Über den Dampfüberhitzer (12) und die Hochdruck-Dampfleitung (5) strömt der Dampf zur Dampf-Treibdüse (3).
Die Dampftreibdüse (3) entspannt den Dampf vollständig. Es werden Dampfgeschwindigkeiten von mehreren km/sec erreicht. Am Auslaß der Dampf-Treibdüse (3) entsteht ein Unterdruck mit einigen 1/10 bar unter atmosphärischem Druck. Der Unterdruck fördert die Verbrennungsluft in den Injektor (7). Im Injektor (7) kommt es zu einer intensiven Durchmischung des hochbeschleunigten Dampfes und der zunächst noch relativ langsamen, vorgewärmten Verbrennungsluft (< 500 m/sec). Dabei stoßen Dampfmoleküle mit Luftmolekülen zusammen. Die hohe Bewegungsenergie des Dampfmoleküls überträgt sich im elastischen Stoß – unter entsprechenden Verlusten – verlustbereinigt im Verhältnis E = v²·m auf das Luftmolekül.. Die Massenanteile von Verbrennungsluft zu Treibdampf betragen etwa 8 : 1. Am Übergang (9) zum Brenner (11) haben beide Medien eine weitestgehend homogene Geschwindigkeit erreicht. Diese beträgt noch immer > 1000 m/sek.
Die Verbrennungsluft wird im Wärmetauscher (17) soweit erwärmt, dass deren Temperatur deutlich über der Kondensationstemperatur des Dampfes liegt.
Wassertröpfchen, welche im Treibdampf durch dessen Arbeitsleistung (Gasbeschleunigung) in der Dampftreibdüse (3) entstehen, werden durch die intensive Vermischung im Injektor (7) Großteils wieder verdampft. Dadurch steigert sich der Wirkungsgrad der Hochdruck-Dampfstrahlpumpe (7) in jenem entscheidenden Maß, der sie für diesen Einsatzzweck überhaupt erst anwendbar macht. Würde eine Dampfstrahlpumpe die Verbrennungsluft mit normaler Umgebungstemperatur (ca. 20°C) zugeführt, würden nicht nur die ohnehin schon vorhandenen Wassertröpfchen im Nassdampf erhalten bleiben, vielmehr würde dem Treibdampf von der Luft soviel Wärme entzogen, dass dieser fast vollständig kondensiert. Wollte man versuchen, eine solche Dampfstrahlpumpe mit dem beschrieben schlechten Wirkungsgrad zu betreiben, wären solche Mengen an Dampf erforderlich, der wiederum soviel Wasser in den Brenner einbringt, dass keine Verbrennung mehr zustande käme. Die Flamme würde gelöscht. Es ist also von unabdingbarer Wichtigkeit für das erfindungsgemäße Funktionieren der Dampfstrahlpumpe (7), den Dampf zu überhitzen (13), unter maximalen Druck zu setzen (25), und vor allem die Verbrennungsluft über die Kondensationstemperatur des Dampfes zu erwärmen (15).
Eine weitere technische Möglichkeit zum Verdampfen der pumpunfähigen Wassertröpfchen im Nassdampf des Treibstrahls wurde erfindungsgemäß eingerichtet. Die Wandungen (8) des Injektors (7) besitzen eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit, um Wärme aus dem Brenner (11) zu leiten. Und zwar in einem Maß (> 200°C), welches dazu führt, dass aufprallende Tröpfchen mit ausreichend hoher Geschwindigkeit verdampfen. Die heiße Injektorwandung (8) ist nach außen hin natürlich mit einer Hochtemperatur-Isolierung (10) ummantelt. Durch die sehr hohe Geschwindigkeit der Tröpfchen werden Wärmeübergangskoeffizienten von mehren 10.000 W/m²K erreicht. Um die Tröpfchen aus dem Dampf „auszufiltern" und an die heißen Injektorwandungen (8) zu schleudern, wird die Wirkung der Zentrifugalkraft eingesetzt. Es wird das Dampf/Luftgemisch in eine drallförmige Rotation um deren Strömungsachse versetzt. Dazu wird am Eingang des Injektors (7) ein Drallkörper in Form von schräg gestellten Leitflügeln (4) angebracht. Weiter kann auch in der Treibdüse (3) ein Drallkörper mit Dampfleitnuten eingelegt sein, welcher den Dampf in der gleichen Drehrichtung wie die anderen Leitflügel (4) um die Fließachse rotiert.
Dieser Drall setzt sich im strömenden Gas fort. Wird nun aus dem Treibstofftank (23) schwer zerstäubbarer und/oder schlecht zündender Treibstoff von der Treibstoffpumpe (22) zur Einspritzdüse (9) gefördert, wird tröpfchenförmiger Treibstoff, gleich der Wirkung zum Wasser im Injektor (7), durch die Zentrifugalkraft an die weit über 1000°C heiße Brennerwandung (11) geschleudert. Jeder noch so schlechte Treibstoff verdampft unter solchen Bedingungen explosionsartig, ebenso setzt die Zündung explosionsartig und klopfend ein.
Damit der Brenner (11) diese adiabatische Verbrennung vollführen kann, muss er nach außen hin mit einer Hochtemperatur-Isolierung (10) ummantelt sein. Befindet sich der Brenner (11) noch nicht auf jener Betriebstemperatur, bei der Treibstoff selbstzündend ist, wird mit einer elektrischen Zündkerze (28) gezündet. Diese Zündkerze (28) muss also nur in der Startphase der Maschine aktiv sein.
Der Brenner (11) ist, wie bei solchen Einrichtungen gewohnt, in seiner Form konisch, er stellt einen Diffusor dar. Das drucklos mit hoher Geschwindigkeit einströmende Gemisch aus Dampf, vorgewärmter Verbrennungsluft und dem soeben eingespritzten Treibstoff, wird in dem, sich allmählich erweiterten Brenner abgebremst. Der Druck steigt und der Verbrennungsprozess setzt ein. Dadurch steigt der Duck weiter auf bis zu etwa 100 bar – abhängig von der Lambdazahl des Gemisches, dem Dampfdruck vor der Treibdüse, etc..
Der im Brenner (11) noch in Rotation um seine Fließachse befindliche Gasstrom, kann an der Brennerdüse (14) erneut ausgerichtet werden. Dieses Erfordernis kann auftreten, muss aber nicht zwangsläufig auftreten. Es tritt dann ein, wenn beispielsweise zum Zentrifugieren des Wassers im Injektor (7) und des flüssigen Treibstoffes im Brenner (11) hohe Rotationsgeschwindigkeiten erwünscht sind, diese hohen Rotationsgeschwindigkeiten im Wärmetauscher (18) das Abgas aber derart stark an die Wandungen pressen, dass das Gas zu keinem Moment eine vollständige Entspannung erreicht, also der Druck des Gases im Brenner (11) an der Brennerdüse (14) nicht vollständig in Geschwindigkeit des Abgases gewandelt wird. In diesem Fall ist durch die Leitflügel an der Brennerdüse (14) der Steigungswinkel des Abgases entsprechend zu verflachen.
An die Brennerdüse (14) ist ein Wärmetauscher-Innenrohr (27) angeschlossen. Dieses Rohr (27) hat die Aufgabe den Strömungsspalt (29) für das Abgas zur Tauscher-Außenwand zu bilden. Fehlt dieses Rohr (27), entsteht ein Gas-Kurzschluss. Es fließt kaltes, bereits abgekühltes Gas vom Wärmetauscherende (19) über die Rohrmitte, entgegen der Abgasfließrichtung, zurück und mischt sich dem noch heißen Abgas bei. Dadurch wird der Temperaturunterschied zur Wärmeübertragung herabgesetzt, also die Wirkung des Wärmetauschers (18) verringert. Für die Güte der Funktionalität des Wärmetauschers (18) ist auch hier eine ummantelte Hochtemperatur-Isolierung (10) erforderlich.
Bei der in 3 bis 5 dargestellten zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ist einer Dampfstrahlpumpe (104) nach der Treibstoffeinspritzung (105) ein konischer Brenner (107) nachgeschalten. Das Abgas aus diesem Druckbrenner (107) strömt über die Brennerdüse (108) in den Wärmetauscher (112). An der Brennerdüse (108) wird der Druck des Gases vollständig entspannt. Das Gas strömt nach der Brennerdüse (108) in den Tauscher (112), mit einer Geschwindigkeit, die durchaus den km/sec-Bereich erreichen kann. Dadurch werden sehr hohe spezifische Gastauschwerte erreicht. Im Wärmetauscher (109) wird Wärme aus dem Abgas an den Speisewasser/Dampftauscher (111), an den Verbrennungslufttauscher (113) und an den Treibstofftauscher (110) abgegeben. Das Abgas verliert durch die Wärmeabgabe im Regelfall ca. drei Viertel jenes Volumens, welches es beim Tauschereintritt an der Brennerdüse (108) hatte. Der Tauscher mündet in der Abgas-Strömungsturbine (123), welche beispielsweise einen Generator (124) antreibt.
In der Startphase wird die Verbrennungsluft über die Start-Luftpumpe (122) aus der Umgebung angesaugt, im Regelbetrieb mit Hilfe des Unterdruck aus dem Injektor (104). Die Luft strömt durch den Tauscher (113) und die Verbrennungsluftleitung (119) zum Injektor (104). Gleichzeitig wird aus dem Speisewassertank (118) durch die Speisewasserpumpe (117) Wasser gefördert und mit hohem Druck in den Dampftauscher (111) gedrückt. Das Speisewasser erhitzt sich, bzw. – je nach Dampfdruck und Tauscherbeschaffenheit – verdampft es im Dampftauscher (111) durch die Zuführung regenerativer Wärme aus dem Abgas. Beispielsweise die Verdampfungsenthalpie des Dampfes, ist nicht immer nur durch regenerative Wärme aus dem Abgas (111) ersetzbar. Daher ist es notwendig, auch Wärme direkt aus dem Brenner (107), vor Entspannung des Gases dem Dampf, zuzuführen. Über den Dampfüberhitzer (125), welcher thermisch mit dem Brenner (107) gekoppelt ist, wird dem Heißwasser, bzw. dem Nassdampf aus dem Tauscher (125) soweit Wärme zugeführt, bis es/er sich in Satt- oder Heißdampf wandelt. Der Dampf strömt sodann über die Hochdruck-Dampfleitung (101) weiter zur Dampf-Treibdüse (102).
Die Dampftreibdüse (102) entspannt den Dampf vollständig. Am Auslaß der Dampf-Treibdüse (102) entsteht ein Unterdruck mit einigen 1/10 bar unter atmosphärischem Druck. Dieser Unterdruck fördert – außer in der Startphase – die Verbrennungsluft in den Injektor (104). Im Injektor (104) kommt es zu einen intensiven Durchmischung des hochbeschleunigten Dampfes und der vorgewärmten Verbrennungsluft. Dabei stoßen Dampfmoleküle mit Luftmolekülen zusammen. Die hohe Bewegungsenergie des Dampfmoleküls überträgt sich im überwiegend elastischen Stoß, verlustbereinigt im Verhältnis E = m·v²/2, auf das Luftmolekül. Die Gewichtsanteile von Verbrennungsluft zu Treibdampf betragen ein Vielfaches. Bis zum Übergang vom Injektor (104) zum Brenner (107) haben beide Stoffe eine homogene Geschwindigkeit ein-genommen.
Die Verbrennungsluft wird im Wärmetauscher (113) soweit erwärmt, dass deren Temperatur deutlich über der Kondensationstemperatur des Dampfes liegt. Wassertröpfchen, welche im Treibdampf durch dessen Arbeitsleistung (Gasbeschleunigung) in der Dampftreibdüse (102) entstehen, werden durch die intensive Vermischung im Injektor (104) großteils wieder verdampft. Dadurch steigert sich der Wirkungsgrad der Dampftreibstrahlpumpe (104) in jenem entscheidenden Maß, der sie für diesen Einsatzzweck erst anwendbar macht. Würde eine Dampftreibstrahlpumpe die Verbrennungsluft mit normaler Umgebungstemperatur (ca. 20°C) zugeführt, würden nicht nur die ohnehin schon vorhandenen Wassertröpfchen im Nassdampf erhalten bleiben, sondern dem Treibdampf würde von der Luft soviel Wärme entzogen, dass dieser fast vollständig kondensieren würde. Wollte man versuchen, eine solche Dampftreibstrahlpumpe mit dem beschrieben schlechten Wirkungsgrad zu betreiben, wären solche Mengen an Dampf erforderlich, der wiederum soviel Wasser in den Brenner einbrächte, dass kein Brand mehr zustande käme. Die Flamme würde gelöscht. Es ist also von unabdingbarer Wichtigkeit für das erfindungsgemäße Funktionieren der Dampftreibstrahlpumpe (104), Heißdampf mit hohem Druck zu erzeugen und die Verbrennungsluft ausreichend über die Dampf-Kondensationstemperatur zu erwärmen.
Eine weitere technische Möglichkeit zum Verdampfen der pumpunfähigen Wassertröpfchen im Nassdampf des Treibstrahls wurde erfindungsgemäß eingerichtet. Die Wandungen (120) des Injektors (104) besitzen eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit, um Wärme aus dem Brenner (107) zu verschleppen. Und zwar in einem Maß, welches dazu führt, dass aufprallende Tröpfchen bei der vorhandenen hohen Wandtemperatur des Injektor (120) mit ausreichend hoher Geschwindigkeit verdampfen. Die heiße Injektorwandung (120) ist nach außen hin mit einer Hochtemperatur-Isolierung (114) ummantelt.
Um die Tröpfchen aus dem Dampf abzusondern und an die heißen Injektorwandungen (120) zu schleudern, wird die Wirkung der Zentrifugalkraft eingesetzt. Es wird das Dampf/Luftgemisch in eine drallförmige Rotation um deren Fließachse versetzt. Dazu wird am Eingang des Injektors ein Drallkörper in Form von schräg gestellten Leitflügeln (103) angebracht. Weiter kann auch in der Treibdüse (102) ein Drallkörper mit Dampfleitnuten eingelegt sein, welcher den Dampf in der gleichen Drehrichtung, wie die Leitflügel (103) um die Fließachse in Rotation versetzt. Dieser Drall setzt sich im strömenden Gas fort.
Wird aus dem Treibstofftank (116) schwer zerstäubbarer und/oder schlecht zündender Treibstoff von der Treibstoffpumpe (115) zur Einspritzdüse (105) gefördert, wird tröpfchenförmiger Treibstoff, gleich der Wirkung zum Wasser im Injektor (104), durch die Zentrifugalkraft an die heiße Brennerwandung (107) geschleudert. Jeder noch so schlechte Treibstoff verdampft unter solchen Bedingungen explosionsartig, ebenso setzt die Zündung explosionsartig und klopfend ein.
Der dem Brenner (107) zugeführte Treibstoff kann wahlweise in dem dafür vorgesehenen Gegenstrom-Wärmetauscher (110) – nach der Startphase des Motors – ebenfalls durch die regenerative Wärme aus dem Abgas erhitzt werden. Im Regelfall werden dabei Temperaturen erreicht, welche zumindest annähernd der Selbstzündungstemperatur der Treibstoffe entspricht. Anderseits wird dermaßen weitestgehend jeder flüssige Treibstoff im Tauscher (110) vergast. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Qualität des Abbrandes aus.
Damit der Brenner (107) eine adiabatische Verbrennung vollführen kann, muss auch er nach außen hin mit einer Hochtemperatur-Isolierung (114) ummantelt sein. Befindet sich der Brenner (107) noch nicht auf jener Betriebstemperatur, bei der Treibstoff selbstzündend ist, wird mit einer elektrischen Zündkerze (121) gezündet. Diese Zündkerze (121) muss also nur in der Startphase der Maschine aktiv sein.
Der Brenner (107) ist, wie bei solchen Einrichtungen üblich, in seiner Form konisch, er stellt einen Diffusor dar. Das mit annähernd atmosphärischem Druck und mit hoher Geschwindigkeit einströmende Gemisch aus Dampf, vorgewärmter Verbrennungsluft und dem soeben eingespritztem Treibstoff (105), wird in dem sich allmählich erweiterten Brenner (104) abgebremst. Der Druck steigt und der Verbrennungsprozess setzt ein. Dadurch steigt der Duck weiter bis zum möglichen Maximaldruck.
6 zeigt den Druck-, Geschwindigkeits- und Temperaturverlauf über den einzelnen Komponenten einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen verbesserten Wärmekraftmaschine. Darin bezeichnen die mit arabischen Ziffern versehenen Linien den Druckverlauf, während die mit römischen Ziffern versehenen Linien den Geschwindigkeitsverlauf wiedergeben. Der Temperaturverlauf ist mit einer durchgezogenen Linie dargestellt.
Die schematisch in 6 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen verbesserten Wärmekraftmaschine zeichnet sich insbesondere durch ein besonders langes diffusorförmiges Verdampferrohr aus, welches ein gesonderter Bauteil ist. Dies unterscheidet den erfindungsgemäßen Injektor gegenüber herkömmlichen Injektoren deutlich und bewirkt die Verdampfung der Kondensattröpfchen und die Nachbeschleunigung der zu pumpenden Luft durch die wieder verdampften Tröpfchen. Dies gelingt durch die drallförmige Durchströmung (Drallerzeugung im Injektorkopf) und die überhitzten Wandungen mit deutlicher thermischer Verbindung zum Brenner (Wärmeverschleppung aus dem Brenner). Die Drallerzeugung im Injektor erfolgt beispielsweise durch ein seitlich tangentiales Einströmen der Luft in den Injektorkopf. Nach dem Nachverdampfer tritt das Strömungsmedium in die Brennkammer ein, in die vorgewärmter Brennstoff zugeführt wird. Hier erfolgt eine nahezu adiabatische Verbrennung, bevor das Strömungsmedium (Abgas) an der Brennerauslassdüse vollständig entspannt wird und der Druck des Strömungsmediums hierdurch in kinetische Energie gewandelt wird. Das Strömungsmedium tritt dann in einen Gegenstromwärmetauscher ein, in welchem diesem sämtliche Wärme entzogen und an die zuströmenden Medien (Luft, Wasser, Treibstoff) abgegeben wird. Das Strömungsmedium (Abgas) tritt dann in die an den Gegenstromwärmetauscher anschließende Gleichdruck-Strömungsturbine aus.
Das in 6 ebenfalls über der Wärmekraftmaschine dargestellte Diagramm zeigt qualitativ den Verlauf von Druck, Temperatur und Geschwindigkeit an den entsprechenden Bauteilen. Der maximale Treibdampfdruck von > 100 bar (vorzugsweise etwa 150 bar) tritt zwischen den Punkten 1 und 2 auf. Der Dampf hat hier eine Temperatur von > 400°C. Danach folgt das erste Dampfdruckgefälle in der Düse (Punkte 2–3). Hiernach schließt sich das zweite Druckgefälle in der Lavaldüse an (Punkte 3–4), wodurch der Druck auf unter atmosphärischen Dampfdruck abgesenkt wird. Danach steigt der Dampfdruck im Mischrohr wieder auf atmosphärischen Druck (Punkt 4–5). Parallel hierzu wird Luft über einen Einlass bei atmosphärischem Druck angesaugt und im Mischrohr auf ein Druckniveau unterhalb des atmosphärischen Drucks abgesenkt, um dann wieder auf atmosphärischen Druck gebracht zu werden (Punkt 4'–5'). Die zu pumpende Luft ist dabei vorab im Gegenstromwärmetauscher rekuperativ vorgewärmt worden, damit sie eine Temperatur ≥ 100°C aufweist. Andernfalls würde der Treibdampf an die kalte (20°C) Luft Wärme verlieren und folglich noch weiter kondensieren. Durch den Wärmegehalt der gepumpten Luft, wird das Kondensat des Treibdampfes zumindest zum Teil wieder verdampft. Das Gemisch aus Dampf und Luft hat dabei erfindungsgemäß ein Gewichtsverhältnis (Dampf : Luft) von 1 : 3 bis 1 : 4. Hieran schließt sich ein Verdichtungsstoß des Gemischs auf Ma ≤ 1 an (Punkt 5–6).
Der Geschwindigkeitsverlauf des Treibdampfes im Rohr vor der Düse wird dabei durch die Line zwischen den beiden Punkte I–II dargestellt. Der Dampfdruck wird dann in der Lavaldüse in Geschwindigkeit um Ma > 1 gewandelt, was der mit den Punkten II–III–IV dargestellte Linienverlauf symbolisiert. Danach folgt eine Geschwindigkeitsabnahme des Dampfes durch Vermischung mit Luft. Parallel hierzu wird die Luft durch Vermischung mit dem Dampf beschleunigt (Punkte III'–IV'–V'). Hieran schließt sich ein Verdichtungsstoß des Gemischs auf Ma ≤ 1 an (Punkt V–VI).
Zwischen den Punkten 6–7 erfolgt ein Druckanstieg des Gemischs durch Nachverdampfung des Kondensates in einem leicht diffusorförmigen Nachverdampfer mit thermischer Verbindung zum Brenner. Die Aufheizung erfolgt hier über die Wärmeverschleppung von den heißen Wandungen des Brenners zu den Wandungen des Nachverdampferrohres auf mehrere hundert Grad Celsius. Durch die Drallströmung werden die Tröpfchen mittels Zentrifugalkraft an die überhitzten Wandungen geschleudert und sofort vollständig verdampft. Der Injektor wandelt also sämtlichen Nassdampf wieder in Satt- oder Heißdampf. Der so wiedergewonnene Dampf treibt im besonders langen Verdampferrohr die zu pumpende Luft erneut an, das Verdampferrohr ist also auch ein Sekundärinjektor. Zum Erzeugen der unerlässlichen drallförmigen Strömung im Verdampferrohr wird beispielsweise die Luft in den Injektorkopf seitlich tangential eingeführt. Es entsteht eine Zyklonenströmung der Luft schon im Injektoreinlass. Diese überträgt sich bei der Vermischung mit dem Dampf auch auf den Dampf. Es entsteht ein homogenes Gemisch.
Hierauf folgt ein Druckanstieg im diffusorförmigen Brenner im Abbrand (Punkte 7–8). Zwischen den Punkten 8 und 9 wird ein konstanter Höchstdruck im Brenner erreicht. Die Brennertemperatur steigt wegen des im Gemisch vorhandenen Dampfes vorteilhafterweise nicht über 1700°C. Im Brenner werden auf diese Weise Drücke von ≥ 10 bar erreicht. Das Abgas enthält durch den Dampfeintrag weniger Schadstoffe. Der Dampf bindet den Russ und senkt den Ausstoß von NOx. Danach erfolgt in der dem Brenner nachgeschalteten Lavaldüse zwischen den Punkten 9–10–11 eine vollständige Druckwandlung des Brennerdrucks in kinetische Energie, d.h. Gasgeschwindigkeit mit Ma ≥ 1 (vorzugsweise > 2000 m/sec). Zwischen den Punkten 10–11 fällt der Druck des Gemisches unter den atmosphärischen Druck ab.
Während dessen bleibt die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches im Brenner (Punkte VI–VII) relativ konstant bei Ma ≤ 1. Danach erfolgt zwischen den Punkten VII–VIII–IX eine vollständige Druckwandlung des Brennerdrucks auf Ma ≥ 1 in der Lavaldüse. Die Temperatur des Strömungsmediums fällt dabei von etwa 1700°C im Brenner auf < 800°C am Eintritt in den Wärmetauscher.
Zwischen den Punkten 11–12 erfolgt ein geringfügiger Druckanstieg durch Wäremtauscherreibung mit anschließenden partiellen Druckschwankungen an den Turbinenschaufeln (Punkt 12–13). Im Gegensatz zu den herkömmlichen Rekuperatoren in Turbinen, werden gemäß der vorliegenden Erfindung dem Abgas sämtliche Bestandteile vor Abbrand (Luft, Wasser und Treibstoff) vollständig im Gegenstrom zum Entzug fast sämtlicher Wärme entgegengeleitet. Der Auslaß des Arbeitsmediums erfolgt dann wieder mit atmosphärischem Druck (Punkt 13).
Die Geschwindigkeit bleibt dabei zunächst zwischen den Punkten IX–X annähernd konstant (> 2000 m/sec). Die Turbineneintrittstemperatur des Strömungsmediums beträgt etwa 100°C. Das Arbeitsmedium wird anschließend stufenweise in der Gleichdruckturbine auf Ma ≤ 1 verzögert (Punkte X–XI).
7 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Injektordüse einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen verbesserten Wärmekraftmaschine gemäss 6 entlang der Linie A-A. Darin ist mit Bezugszeichen 48 der Injektorkopf mit tangentialem Lufteinlass gekennzeichnet. Bezugsziffer 49 bezeichnet die als Lavaldüse ausgebildete Dampf-Treibdüse, welche eine Strömungsgeschwindigkeit von Ma ≥ 1 bewirkt. Durch den seitlich tangential aufgesetzten Lufteinlass 51, entsteht ein Zyklonen-Luftstrom 50.
8 bis 10 zeigen Darstellungen einer Geichdruckströmungsturbine, wie sie bei einer vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen verbesserten Wärmekraftmaschine zur Anwendung kommt. Die Darstellungen sind dabei rein schematisch und dienen lediglich der Erläuterung der Arbeitsweise.
8 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine als statorlose Radialturbine mit spiralförmigem, spezifisch profiliertem Strömungskanal für Gase und/oder Dampf ausgebildete Gleichdruckströmungsturbine ohne Gehäuseabdeckung. 9 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Radialturbine gemäß 8 entlang der Linie A-A.
Der Gas-/Dampfstrom (das Arbeitsmedium) wird dabei in abwechselnder Folge mittels entsprechenden Kurvenelementen bzw. Umlenkflächen 37, das heißt mittels der Neutralumlenkflächen 38, der Umlenkflächen 41 zum Mittelpunkt und der Umlenkflächen 42 vom Mittelpunkt weg, im Spiralkanal 35 abgelenkt. Diese Gasumlenkung erzeugt in Drehrichtung des Rotors ein Drehmoment auf dem Rotor 47. Dabei lenkt die jeweilige Umlenkfläche den Gasstrom in einer möglichst flachen Kurve von der Achsmitte weg, bzw. zu dieser hin. Alle Flächen der Neutralumlenkflächen sind gerade, ebene Flächen, welche alle im rechten Winkel zur Achsmitte stehen. Die auf diese Flächen wirkenden Kräfte des auftreffenden Gases können folglich nur einen Kraftvektor bilden, der exakt zur Achsmitte hin zeigt oder umgekehrt exakt von der Achsmitte weg. Die Summe all dieser Kräfte ergibt Null. Dadurch, dass die Kraftvektoren weder zur, noch gegen die Drehrichtung der Scheibe wirken können, ist die Verlustleistung gleich Null. Der „Stator" einer jeden Umlenkung dreht sich also erfindungsgemäß zusammen mit der Rotorscheibe.
Nach jedem Passieren eines Kurvenelementes der erfindungsgemäßen Radialturbine, wird der Gasstrom jeweils wieder auf eine radial umlaufende, flache Trennwand 36 des Kanals gelenkt. Hierdurch nimmt der Gasstrom die Strömungsrichtung parallel zur Kanalwand 36 ein. Diese Rücklenkung des Gasstroms in radiale Strömungsrichtung verursacht aber kein entgegenwirkendes Drehmoment am Rotor 47, da der Auftreffwinkel des Gases auf die Wandung kleiner als 45° ist und vorzugsweise 20° bis 30° beträgt. Zur Erzeugung eines möglichst großen Wirkungsgrades sind die Kanalwände 36 glatt und die Schaufeln gleichförmig ansteigend. Die Strömung tritt mit der Strömungsgeschwindigkeit v1 am Außenumfang vom Wärmetausche 33 über den Turbineneinlass 34 in das Turbinengehäuse 39 und den Außenumlaufkanal 40 ein und verlässt die Turbine mit der Strömungsgeschwindigkeit v2 im Zentrum der Turbine in Richtung der Rotor-Mittellinie 46.
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Radialturbine gemäß 8 und 9. Dabei dreht sich der Rotor 47 in einem Gehäuse 39 um die Rotorachse bzw. Mittellinie 46 und gibt seine Leistung an eine in einem Wellenlager 44 gelagerte Abtriebswelle 45 ab. Das Arbeitsmedium gelangt dabei von dem Wärmetauscher 33 über den nicht dargestellten Turbineneinlass und den Außen-Umlaufkanal 40 in den Spiralkanal 35 im Rotor 47. Hier trifft die Strömung auf die Trennwände 36 des Kanals und die daran angeordneten Umlenkflächen. Nach Durchlaufen des Spiralkanals 35 strömt das Arbeitsmedium mit der verbleibenden Austrittsgeschwindigkeit v2 aus dem Auspuff 43 aus.
Bei der Verwendung der in 8 bis 10 dargestellten Radialturbine in der verbesserten Wärmekraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt der Gasdruck vor der Turbine in etwa atmosphärischen Druck und hinter der Turbine ebenfalls etwa atmosphärischen Druck. Es ist auch möglich mehrere der hier dargestellten Radialturbinen in Reihe hintereinander zu schalten. Erfindungsgemäß befinden sich auf dem auf kleinstem Raum untergebrachten Spiralkanal weit mehr als 20 Umlenkflächen (Schaufeln), so dass von einem Netto-Wirkungsgrad von >90% ausgegangen werden kann. Die erfindungsgemäße Radialturbine ist also höchst effizient und einfach und kostengünstig herstellbar. Besonders hervorzuheben ist, dass die erfindungsgemäße Radialturbine keinerlei Totraum aufweist. Sie besteht nur aus Leitkanälen und deren Wänden, sowie aus dem eng anliegenden äußeren Gehäuse. Das Leistungsvolumen dieser Turbine ist doppelt so groß wie das von Axialturbinen, bezogen auf Abgabeleistung/Volumen.
11 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer Radialturbine gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Gehäuseabdeckung. 12 zeigt einen schematischen Schnitt durch die erfindungsgemäße Radialturbine gemäß 11. Im Gegensatz zu der in 8 bis 10 gezeigten Ausführungsform, sind hier die Umlenkflächen und der Spiralkanal durch einzelne Schaufeln gebildet. Die Schaufelhöhe steigt dabei in radialer Richtung zum Zentrum hin an, wie aus 12 hervorgeht. Die durchschnittliche Umdrehungsgeschwindigkeit ist dabei die Geschwindigkeit v3 im mittleren Leitkanal. Die Abnahme der Gaseintrittsgeschwindigkeit errechnet sich damit aus (v3 × Anzahl der Schaufeln)/(180/Anstellwinkel der Schaufeln). Die durchschnittliche Umdrehungsgeschwindigkeit ist dabei die Geschwindigkeit v3 im mittleren Leitkanal. Die Abnahme der Gaseinrittsgeschwindigkeit errechnet sich aus:
(v3 × Anzahl d. Schaufeln)/(180/Anteilwinkel d. Schaufeln).

1: Injektorkopf
2: Luftleitungsanschlüsse
3: Dampf-Treibstrahldüse mit Drallkörper für Dampf-Leitnuten
4: Drallflügel (in 8 und ggf. an 14)
5: Hochdruck-Dampfleitung
6: Verbrennungsluftleitung
7: Hochdruck-Dampfstrahlpumpe
8: Injektorrohrwände
9: Treibstoffdüse
10: Wärmeisolierung
11: Konischer Brenner
12: Dampfüberhitzer-Anschluss
13: Dampfüberhitzer am Brenner
14: Brenner-Auslassdüse
15: Dampfwärmetauscher
16: Verbrennungsluft-Anschlüsse
17: Verbrennungslufttauscher
18: Rekuperativer- Wärmetauscher
19: Abgas-Abströmkonus (außen/innen)
20: Strömungsturbine
21: Kraftabnahmewelle
22: Treibstoffpumpe
23: Treibstofftank
24: Speisewasseranschluss
25: HD-Speisewasserpumpe
26: Speisewassertank
27: Innenrohr des Tauschers
28: Elektrische Zündkerze
29: Strömungsspalt für das Abgas
30: Ansaugöffnung am Tauscher
31: Konische Injektorkammer
32: Generator
33: Wärmetauscher
34: Turbineneinlass
35: Spiralkanal im Rotor
36: Trennwände des Kanals
37: Umlenkfläche allgemein
38: Neutralumlenkfläche
39: Gehäuse
40: Außen-Umlaufkanal
41: Umlenkfläche zum Mittelpunkt hin
42: Umlenkfläche vom Mittelpunkt weg
43: Auspuff
44: Wellenlager
45: Abtriebswelle
46: Rotor Mittellinie
47: Rotor
48: Injektor Kopf
49: Dampf Treibdüse
50: Zyklonen-Luftstrom
51: Lufteinlass
101: Hochdruck-Dampfleitung
102: Dampf-Treibstrahldüse mit Drallkörper (Leitnuten)
103: Schräg zur Fließrichtung angestellte Drallflügel
104: Injektorkammer (Hochdruck-Dampftreibstrahlpumpe)
105: Heiß-Treibstoffeinlass
106: Treibstoffleitung für überhitzten Treibstoff
107: Konischer, adiabater Brenner
108: Brenner-Abströmdüse
109: Gegenstrom-Wärmetauscher für drei, wahlweise vier Medien
110: Treibstoff-Wärmetauscher
111: Speisewasser bzw. Dampf-Wärmetauscher
112: Abgas-Wärmetauscher
113: Verbrennungsluft-Wärmetauscher
114: allseitige Wärmeisolierung
115: Treibstoffpumpe
116: Treibstofftank
117: Speisewasserpumpe
118: Speisewassertank
119: Verbrennungsluftleitung
120: Injektorwandungen
121: Startzündung
122: Start-Luftpumpe
123: Abgas-Strömungsturbine
124: Generator
125: Dampf-Wärmetauscher zum Brenner

Claims

Verbesserte Wärmekraftmaschine mit kontinuierlicher Verbrennung, wobei diese eine Hochdruck-Dampfstrahlpumpe zum Fördern von Verbrennungsluft, einen Brenner zum Zuführen von Wärmeenergie zum Arbeitsmedium, eine Brennerdüse zum Entspannen des Arbeitsmediums bis auf annähernd atmosphärischen Druck und eine Turbine zum Wandeln der kinetischen Energie des Arbeitsmediums in mechanische Leistung aufweist, und wobei ein rekuperativer Wärmetauscher mit einem Dampfwärmetauscher zur Erzeugung des Treibdampfes der Hochdruck-Dampfstrahlpumpe und zum Vorwärmen der Verbrennungsluft zwischen der Brenneraustrittsdüse und der Turbine vorgesehen ist.
Verbesserte Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der Dampf der Hochdruck-Dampfstrahlpumpe in einem Wärmetauscher erzeugt wird und nachfolgend in einem Dampfüberhitzer am Brenner überhitzt wird.
Verbesserte Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Wärmetauscher für die Verbrennungsluft und den Treibdampf zwischen Brenneraustrittsdüse und Abgas-Strömungsturbine zumindest überwiegend im Gegenstrom zum Abgas eingebaut sind.
Verbesserte Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher abgasseitig einen runden Querschnitt aufweist und auf die gesamte Länge aus einem zumindest annähernd geradlinig verlaufenden Rohr besteht.
Verbesserte Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Wand des Wärmetauschers abgasseitig technisch glatt ist und/oder eine Oberflächenbeschaffenheit aufweist, welche das Anhaften von Verbrennungsrückständen verringert.
Verbesserte Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei zwischen Injektor und Brenner ein diffusorförmiger Nachverdampfer vorgesehen ist, wobei die Nachverdampferwand eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweist, um ausreichend Wärme vom Brenner zum Verdampfen von anprallenden Dampf-Kondensattröpfchen zu verschleppen.
Verbesserte Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei in den Strömungskanal der Luft, bzw. des Luft-Dampfgemisches bzw. in die Brennerdüse eingelassene Leitflügel, bzw. in die Treibstrahldüse eingelassene Dampfleitnuten vorgesehen sind, um das jeweilige Strömungsmedium in eine Drallbewegung um die Strömungsachse zu versetzen.
Verbesserte Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei als Brennerauslassdüse eine Lavaldüse vorgesehen ist.
Verbesserte Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei als Turbine eine Radial-Gleichdruckturbine vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben einer verbesserten Wärmekraftmaschine mit kontinuierlichem und annähernd adiabatischem Abbrand von Luftsauerstoff und Treibstoff über atmosphärischem Druck, der nach dem Abbrand bis annähernd atmosphärischen Druck entspannt wird, sowie mit nachfolgender Umwandlung der so gewonnenen Strömungsenergie des Abgases in Wellenleistung an einer Turbinenwelle, sowie mit Entzug der Wärme aus dem Abgas zum Übertrag an die Verbrennungsluft, wobei der Hochdruck-Treibstrahldampf einer Hochdruck-Dampfstrahlpumpe zuvor in einem Dampfüberhitzer überhitzt wird und innerhalb der Injektorkammer das Kondenswasser im Treibstrahldampf durch die, über die Kondensationstemperatur des Dampfes vorgewärmte Verbrennungsluft, zumindest teilweise verdampft wird, wodurch der Feuchtigkeitseintrag der Hochdruck-Dampfstrahlpumpe in die Verbrennungsluft minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei innerhalb der Injektorkammer mittels der, im regenerativen Wärmetauscher über die Kondensationstemperatur des Dampfes vorgewärmte Verbrennungsluft, Kondenswasser im Treibstrahldampf zumindest teilweise verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Wärmetauscher für die Verbrennungsluft eine ausreichende Tauscherfläche aufweist um die gesamte Verbrennungsluft über die Kondensationstemperatur des Dampfes zu erwärmen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei mittels in den Strömungskanal der Luft, bzw. des Luft-Dampfgemisches und/oder des Abgases eingelassene Leitflügel und/oder mittels in die Treibstrahldüse eingelassene Leitnuten die Luft, bzw. das Luftdampfgemisch und nachfolgend das Gas im Brenner, bzw. das Abgas im Wärmetauscher in eine Drallbewegung um die Strömungsachse des Gases versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Luft-/Dampfgemisch in eine Drallbewegung um dessen Strömungsachse versetzt wird, um kondensierende Wassertröpfchen in der Injektorkammer durch Zentrifugalkraft an die heißen Injektorwandungen zu schleudern und zumindest teilweise zu verdampfen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Verbrennungsluft mittels nachgeschalteter Hochdruck-Dampfstrahlpumpe erzeugtem Unterdruck in den Wärmetauscher gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Luft-/Dampf-/Treibstoffgemisch im Brenner in eine Drallbewegung um dessen Strömungsachse versetzt wird, um Treibstofftröpfchen durch Zentrifugalkraft an die heiße Brennerwand zu schleudern, in weiterer Folge zu verdampfen und zu zünden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Abgas in eine Drallbewegung um dessen Strömungsachse versetzt wird, um das Abgas im Wärmetauscher durch Zentrifugalkraft tauschwerterhöhend an die Tauscherwand zu drängen.
Radialturbine, insbesondere für eine verbesserte Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine als statorlose Gleichdruckturbine ausgebildet ist.
Radialturbine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass aktive Umlenk- und Reaktionsflächen am Rotor vorgesehen sind.
Radialturbine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftreffwinkel des Strömungsmediums auf die Umlenkflächen bzw. die Schaufeln kleiner 45°, vorzugsweise 20° bis 30° beträgt.
Radialturbine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine einen spiralförmigen, spezifisch profilierten Strömungskanal aufweist.
Radialturbine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad aus Kunststoff hergestellt ist.
Radialturbine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine vom Außenumfang zum Zentrum hin durchströmt wird.
Radialturbine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine zur Anströmung mit einer Überschallströmung ausgebildet ist.