DE102005039024A1 - Dampfturbine mit geschlossenem Fluidkreislauf und Porenbrenner - Google Patents

Abstract

Dampfturbinen sind im Allgemeinen große, schwere Gebilde, vorzugsweise zur Stromerzeugung genutzt. DOLLAR A Die Erfindung des Porenbrenners, der ein Kraftstoff-Luftgemisch ohne Flamme in den Poren eines Keramikblocks schadstoffarm verbrennt, lässt erstmalig eine sehr kompakte Dampferzeugung zu, welche einen Wirkungsgrad mit einfachem Aufbau verbindet. Die Tesla'sche Scheibenläuferturbine, benahe 100 Jahre alt, ist die ideale Ergänzung zum Porenbrenner, da ihr Wirkungsgrad bei richtiger Umsetzung des Konzepts extrem hoch ist. Im Gegensatz zu Gasturbinen kann hier mit wesentlich geringeren Drehzahlen in einer einstufigen Turbine eine hohe Leistung erzeugt werden. Im angegebenen Beispiel legt der Dampf von der Einlassdüse bis zum Auslass einen Weg von etwa 75 Meter zurück, obwohl der Turbinendurchmesser nur 32 cm beträgt. Der geschlossene Wasser-Dampf-Kreislauf kommt mit wenigen Litern Wasser aus und die Dampferzeugung ist in Sekunden hochgefahren, so dass Wartezeiten bis zur Betriebsbereitschaft wie bei früheren Dampfmobilen praktisch entfallen. DOLLAR A In Verbindung mit dem stufenlosen hydraulischen Allradantrieb (Patentanmeldung Nr. 102004047596.9, Anmelder Seemann GmbH) ergibt sich ein zukunftsweisendes Antriebskonzept für Kraftfahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge und stationäre Anwendungen. Die geringen Emissionen des Porenbrenners, der weder Katalysator noch Partikelfilter benötigt, sowie der geringe Verbrauch, machen es dem Kolbenmotor in jeder Hinsicht - auch bei den ...

Description

• Allgemein
• Aus der Literatur ist die Scheibenläuferturbine von Nicola Tesla bekannt, welche unter US-Patent No 1,329,559 im Jahre 1916 patentiert wurde. Diese Turbine wurde zwar weltweit sehr häufig nachgebaut, konnte sich jedoch nicht am Markt durchsetzen, da die erwarteten Resultate nicht erreicht wurden. Dies ist wohl darauf zurückzuführen, dass die Wirkungsweise nicht komplett verstanden wurde.
• In letzter Zeit macht eine andere Erfindung von sich reden, der sogenannte Porenbrenner. Es handelt sich um eine poröse Keramik, in deren Poren ein eingeblasenes Luft-Kraftstoffgemisch ohne Flamme verbrennt. Das Verfahren zeichnet sich durch geringe Schadstoffemmission und hohe Temperaturen (ca 700°C) aus.
• Bei meiner Erfindung handelt es sich um die Kombination einer modifizierten Teslaturbine mit einem Porenbrenner und einem geschlossenen Fluidkreislauf. Dieses System ist hervorragend für den Antrieb von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen als auch für stationäre Anwendungen geeignet.
• Nachfolgend wird am Beispiel eines Fahrzeugantriebs die Wirkungsweise erklärt.
• Fahrzeugantrieb mit 25 kW Porenbrenner für die Verwendung mit Gas, Alkohol, Benzin, Dieselkraftstoff und Biodiesel.
• 1. Porenbrenner
• Der Porenbrenner besteht aus einem Keramikblock mit Zündeinrichtung und einem Gebläse, mittels dessen das gasförmige Kraftstoff-Luftgemisch in die Poren des Keramikblocks eingebracht wird. Die Zündung beim Start erfolgt elektrisch über eine Zündkerze oder Glühkerze. Danach läuft der Prozess von selbst.
• 2. Fluidikventil
• In die Wasserzufuhr vom Druckausgleichs- und Speicherbehälter ist ein Fluidikventil eingebaut, das den Wasserfluss nur in eine Richtung erlaubt und verhindert, dass Dampf vom Porenbrenner in den Ausgleichsbehälter gelangt..
• 3. Dampferzuger
• Eine Rohrwicklung, welche von Wasser bzw Dampf durchströmt wird und die Wärme des Keramikblocks aufnimmt, dient als Dampferzeuger.
• Am anderen Ende der Rohrwicklung des Dampferzeugers befindet sich die Dampfaustrittsdüse, an der Heißdampf mit etwa 280°C und 65 bar Druck mit annähernd Schallgeschwindigkeit austritt. (Düsenquerschnitt 1,5 mm2)
• 4. Düsenstock und Turbine
• Durch eine Verzweigung am Düsenende wird der Dampf über einen Düsenstock zwischen die Scheiben der Turbine geleitet und zwar an der Unterseite des Umfangs der Turbine. Die in diesem Beispiel verwendete Turbine hat fünf Scheiben mit je 1 mm Dicke und sechs Zwischenräume von 1 mm (vier zwischen den Scheiben und zwei zu den Seitenteilen), welche durch die Düsen angeströmt werden. Der Durchmesser der Scheiben beträgt 32 cm und der Querschnitt der 6 Einströmdüsen beträgt jeweils ebenfalls 1,5 mm2 (1 × 1,5 mm). Durch die Versechsfachung des Düsenquerschnitts reduziert sich die Geschwindigkeit des Dampfes auf ein Sechstel, während sich der Druck auf etwa 390 bar erhöht. Zur Regelung des Innendrucks der Turbine ist der Auslass, der sich an der Seite in der Nähe der Turbinenachse befindet, mit veränderlichem Querschnitt ausgeführt.
• Beim ersten Einströmen des Dampfes bildet sich in der Turbine der nötige Gegendruck und der Dampf bewegt sich spiralförmig vom äußeren Umfang zur Mittelachse der Turbine. Dabei wird die Wärmeenergie des Dampfes in kinetische Energie umgewandelt, der Dampf kühlt sich ab und tritt flüssig aus der Turbine aus.
• Der Auslassquerschnitt ist so einzustellen, dass der Turbineninnendruck eine Aufweitung der Dampfstrahlen nicht zulässt, so dass die Dampfstrahlen einen Weg von etwa 75 m bis zum Austritt zurücklegen und genug Energie an die Turbinenscheiben abgeben.
• 5. Gegenstromtaschen
• Zur Verhinderung von Druckverlusten an den Turbinenlagern sind entlang der Achse in den Seitenteilen der Turbine Gegenstromtaschen vorgesehen, welche in der Art des Fluidikventils den austretenden Dampf umlenken und einen Gegendruck zum austretenden Dampf an der Achse erzeugen, welche die seitliche Belastung der außenliegenden Lager reduziert und das Austreten von Dampf verhindert. Eine gleichartige Einrichtung ist an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Seitenteilen vorgesehen.
• 6. Abgasnutzung
• Zur besseren Energieausnutzung werden die Abgase spiralförmig durch Kammern an der Außenseite der Seitenteile geführt, bevor sie abgeführt werden. Damit wird eine Wärmeabstrahlung der Turbine über die Seitenteile verhindert.
• Ein Teil der danach noch vorhandenen Abwärme dieser Gase kann beim Betrieb mit Flüssigbrennstoffen zu deren Verdampfung benützt werden, da der Porenbrenner nur für gasförmige Brennstoffe geeignet ist.
• 9. Pufferbehälter
• Das aus der Turbine austretende Wasser wird über einen Pufferbehälter, im Aufbau dem Ausdehnungsgefäß einer Heizungsanlage entsprechend, in einem geschlossenen Kreislauf wieder dem Fluidikventil am Eingang des Dampferzeugers zugeführt.
• 8. Regelung Kraftstoff- und Wasserzufuhr
• Die Regelung der Wasserzufuhr und der Kraftstoffzufuhr erfolgt simultan, d.h. bei einer Kraftstoffzufuhr von 1 g/s wird gleichzeitig die Wassermenge zugeführt, welche mit dieser Kraftstoffmenge auf die erforderliche Temperatur und den gewünschten Druck gebracht werden kann. (Je nach Kraftstoff etwa die 10–15 fache Menge Wasser). Bei 0,1 g/s Kraftstoff nur 1/10 der Wassermenge
• Der Regelbereich liegt zwischen 0,05 g/s und 1 g/s Kraftstoff, also 20:1. Zur Dosierung von Wasser und Kraftstoff sind zwei Piezopumpen vorgesehen, welche mit der gleichen Frequenz und dem gleichen Hub arbeiten, jedoch verschiedene Durchlassquerschnitte haben (Taktfrequenz von 120–2.400 Hz).
• 9. Drehzahlregelung
• In dieser Konstruktion ist vorgesehen, die Turbine mit einer konstanten Geschwindigkeit von 3.000 rpm zu betreiben. Auf einer Seite der Turbinenachse ist der Generator für die Stromversorgung des Fahrzeugs sowie eventuell ein Schwungrad angebracht, auf der anderen Seite eine Hydraulikpumpe, welche ein stufenloses Allradgetriebe (Patentanmeldung 10 2004 047 596.2, Stufenloses dezentrales Allradgetriebe) antreibt.
• Die Piezopumpen werden über einen Tachogenerator angesteuert, der die Pumpenfrequenz erhöht, wenn die Drehzahl absinkt (wenn höhere Leistung benötigt wird) und reduziert, wenn die Drehzahl über den Normwert steigt. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wird ausschließlich durch das stufenlose Automatikgetriebe gesteuert.
• 10. Verschiedene Kraftstoffe
• Aufgrund des hohen Wirkungsgrades und des geringen Verbrauchs ist es möglich, das Fahrzeug mit mehreren Tanks für verschiedene Kraftstoffe auszustatten, damit jeweils der günstigste verfügbare Treibstoff verwendet werden kann.
• Alle gasförmigen Kraftstoffe und alle flüssigen, welche verdampft werden können, sind verwendbar: Flüssiggas, Wasserstoff, Alkohol, Benzin, Dieselöl, Biodiesel etc. Bevorzugt werden Flüssiggas und Alkohol wegen der geringen Emissionen. Bei Benzin und Diesel sind die Abgaswerte (ohne Rußfilter und Katalysator!) um den Faktor 10 niedriger als bei herkömmlichen Kolbenmotoren mit Katalysator und (bei Dieselmotoren) Rußfilter.
• Die Anpassung der Kraftstoffaufbereitung (Vergasung) wird durch Umschaltung der Kennfelder der Elektronik vorgenommen, um die korrekte Verdampfungstemperatur und die benötigte Luftmenge vom Gebläse einzustellen.

1

Achse Scheibenturbine

2

Scheiben Scheibenturbine

3

Düsenstock

4

Porenbrenner mit Dampferzeuger

5

Gebläse

6

Ausgleichsbehälter Wasser

7

Wasserauslass Turbine

8

Fluidikventil zwischen Wasserbehälter und Dampferzeuger

9

Ausgangsdüse Dampferzeuger

10

Tesla Scheibenläuferturbine

Claims (11)

1. Kombination von Scheibenläuferturbine mit Porenbrenner
2. Geschlossener Fluidkreislauf zwischen Porenbrenner und Turbine
3. Variabler Querschnitt des Turbinenausgangs zur Regelung des Innendrucks der Turbine.
4. Verzweigung zwischen Ausgangsdüse des Dampferzeugers und Düsenstock
5. Umlenktaschen an Turbinenachse zur Vermeidung von Druckverlust
6. Umlenktaschen an der Verbindung der Seitenteile der Turbine zur leichteren Abdichtung.
7. Spiralförmige Führung der Abgase entlang der Seitenteile der Turbine zur Leistungserhöhung durch Heizung der Turbinenwände.
8. Nutzung der Abgastemperatur zur Verdampfung flüssiger Kraftstoffe und Temperaturregelung für die Umschaltung zwischen verschiedenen Kraftstoffen.
9. Kraftstoff- und Wassereinspritzung über simultan gesteuerte Piezopumpen mit gleicher Pumpfrequenz, gleichem Hub, aber unterschiedlichem Querschnitt.
10. Festeingestellte Drehzahl der Turbine und Regelung derselben mittels Tachogenerator, welcher die Kraftstoffzufuhr und Wassereinspritzung elektronisch steuert.
11. Umschalteinrichtung für Tanks mit verschiedenen Kraftstoffen mit Umschaltung der jeweils benötigten Kraftstoffverdampfungstemperatur über eine elektronische Steuerung.