DE102013007337A1 - Heat engine with high thermal efficiency - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit hohem thermischen Wirkungsgrad, bei der Wasser (1) als Arbeitsfluid vom Vorratsbehälter (2) über eine Einspritzleitung (3) bis zur Einspritzpumpe (4) fließt, in der es unter anstehendem hohem Druck weiter bis zum Einspritzventil (5) der Expansionsmaschine (6) gedrückt wird. Auf dem Weg zu dem Einspritzventil wird dem Wasser in der Einspritzleitung bis in den Überhitzungsbereich Wärme (7) zugefügt, ohne dass das Wasser verdampfen kann. Das extern gesteuerte Einspritzventil öffnet im o.T.-Punkt des Kolbens (8), so dass das erwärmte Wasser in den sich bildenden Zylinderraum (9) spritzt. Beim Vergrößern des oberen Zylinderraumes verwandelt sich das eingespritzte Wasser isenthalp zu Dampf und expandiert adiabatisch nach Einspritzende bis zum Öffnen des Auslassventils (10), durch das es ausgestoßen wird. Die ausschließliche Wärmeaufnahme über das Wasser bedeutet, dass die Wärmeaufnahme im kleinen Volumen erfolgt und damit das Arbeitsfluid eine hohe Wärmedichte w = Q/V (kJ/m3) hat.The invention relates to a heat engine with high thermal efficiency, in which water (1) flows as working fluid from the storage tank (2) via an injection line (3) to the injection pump (4), in which it continues to the injection valve (5) under high pressure ) the expansion machine (6) is pressed. On the way to the injection valve, heat (7) is added to the water in the injection line up to the overheating area without the water being able to evaporate. The externally controlled injection valve opens at the TDC point of the piston (8) so that the heated water sprays into the cylinder space (9) that is being formed. When the upper cylinder space is enlarged, the injected water is isenthalpically transformed into steam and expands adiabatically after the end of injection until the outlet valve (10) opens, through which it is expelled. The exclusive heat absorption via the water means that the heat absorption takes place in a small volume and thus the working fluid has a high heat density w = Q / V (kJ / m3).
Description
Die Wärmekraftmaschine ist eine modifizierte Dampfmaschine, die ebenfalls über äußere Wärmezufuhr Wasser als Arbeitsfluid erwärmt und Funktionsmerkmale eines Dieselmotors hat. Der Unterschied zur Dampfmaschine besteht darin, dass die Wärmeaufnahme des Arbeitsfluids in der Wärmekraftmaschine in einem kleineren Volumen als bei der Dampfmaschine erfolgt und damit einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht.The heat engine is a modified steam engine that also heats water as a working fluid via external heat input and has features of a diesel engine. The difference to the steam engine is that the heat absorption of the working fluid in the heat engine takes place in a smaller volume than in the steam engine and thus allows a higher efficiency.
Diese Art der Wärmeaufnahme wird dadurch erreicht, dass das Wasser trotz hoher Temperaturen keine Möglichkeit zum Verdampfen hat und in flüssiger Form in den Zylinder gespritzt und sich in Dampf verwandelt, der dann mechanische Arbeit leistet.This type of heat absorption is achieved by the fact that the water despite high temperatures has no possibility for evaporation and sprayed in liquid form into the cylinder and turns into steam, which then performs mechanical work.
Die Wärmeaufnahme des Arbeitsfluides bezogen auf das ihm zur Verfügung stehende Volumen wird bei dieser Patentbeschreibung als Wärmedichte benannt und in Folge dieser Beschreibung eingehender behandelt.The heat absorption of the working fluid relative to the volume available to it is referred to in this patent specification as a heat density and treated in more detail as a result of this description.
Die Einspritzart ähnelt einem Common-Rail-Dieselmotor, also mit einem Hochdruckspeicher, dessen Wärmeträger jedoch Öl ist.The type of injection is similar to a common-rail diesel engine, ie with a high-pressure accumulator whose heat transfer medium is oil.
Nach
Obwohl die Einspritzzeit in Abhängigkeit vom Kolbenweg kürzer und die Einspritzmasse größer als beim Dieselmotor ist, ist dies nicht problematisch, da das Arbeitsfluid nicht fein zerstäubt werden muss und auch keine Zeit zum Verbrennen benötigt.Although the injection time is shorter depending on the piston stroke and the injection mass is larger than that of the diesel engine, this is not problematic because the working fluid does not have to be finely atomized and does not require time to burn.
Eine Wärmemenge in einem im Überhitzungsbereich flüssigen Wasser erzeugt eine Dampfmenge mit einer spezifischen Enthalpie, die bei gleicher Wärmemenge und Enthalpie größer ist als bei konventioneller Erzeugung von Dampf. Das bedeutet somit einen höheren Wirkungsgrad.A quantity of heat in a water which is superfluous in the superheated area generates a quantity of steam having a specific enthalpy which is greater for the same amount of heat and enthalpy than for conventional generation of steam. This means a higher efficiency.
Die Überlegung, dass das Wasser gleich wie das Öl beim Dieselmotor in den mit verdichteter Luft gefüllten Zylinderraum zu spritzen, ist thermodynamisch nicht sinnvoll, da das Wasser beim Einspritzen sich in Dampf verwandeln würde und dieser den ihm zur Verfügung stehenden Raum einnähme, was einer Drosselung gleich käme und die Umwandlung in mechanische Energie mindern würde. Der in dieser Erfindungsanmeldung aufgeführte Begriff der Wärmedichte als Voraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad wäre damit auch nicht erfüllt. Ein weiterer Vorteil gegenüber der Dampfmaschine ist die für den Betrieb der Wärmekraftmaschine gering zu erwärmende Wassermenge.The idea that injecting the water in the cylinder chamber filled with compressed air just like the oil in the diesel engine is thermodynamically meaningless, since the water would turn into steam during injection and this would take the space available to him, what a throttling would come soon and reduce the conversion into mechanical energy. The term of the heat density listed in this invention application as a prerequisite for high efficiency would thus not be met. Another advantage over the steam engine is the small amount of water to be heated for the operation of the heat engine.
Die Funktionsweise der Wärmekraftmaschine ist nach
- Punkt 1: Einspritzbeginn des Wassers in den Zylinder
- Punkt 1 nach 2: Isotherme Einspritzung (Isenthalpe)
- Punkt 2: Einspritzende
Punkt 2 nach 3: Adiabate Expansion (Isentrope)- Punkt 3: Öffnungsbeginn Auslass-Ventil
Punkt 3 nach 4: Ausstoß des Dampfes- Punkt 4: Schließen des Auslassventils
- Point 1: start of injection of water into the cylinder
- Point 1 to 2: Isothermal injection (Isenthalpe)
- Point 2: Injection end
-
Point 2 to 3: Adiabatic Expansion (Isentrope) - Point 3: Start of opening outlet valve
-
Point 3 to 4: expulsion of the steam - Item 4: Close the exhaust valve
Zur Beurteilung thermodynamischer Prozesse von Wärmekraftmaschinen soll der Begriff der Wärmedichte dienen, der bei dieser Patentanmeldung angewendet wird.To evaluate thermodynamic processes of heat engines, the term "heat density" is used, which is used in this patent application.
Die Aufgabe aller Wärmekraftmaschinen besteht darin, dass Wärme in mechanische Energie dadurch umgewandelt wird, dass eine Wärmemenge einem Arbeitsmedium zugeführt wird, damit dessen Druckenergie erhöht wird, um daraus mechanische Energie zu gewinnen.The object of all heat engines is that heat is converted into mechanical energy by supplying a quantity of heat to a working medium so that its pressure energy is increased to obtain mechanical energy therefrom.
Die Umwandlung der Druckenergie in mechanische Energie erfolgt über deren Abbau durch ein Druckgefälle, das eine Volumenvergrößerung des Arbeitsmediums zur Folge hat. The conversion of the pressure energy into mechanical energy via their degradation by a pressure gradient, which has an increase in volume of the working medium result.
Auf dem Weg der Volumenvergrößerung findet eine Arbeitsleistung statt. Diese kann in Form als Verdrängungsarbeit oder kinetischer Gasenergie der Wärmekraftmaschine entnommen werden.On the way of increasing the volume, there is a work service. This can be taken in the form of displacement work or kinetic gas energy of the heat engine.
Um eine möglichst große Volumenvergrößerung zu erhalten, ist es wesentlich, dass bei der Wärmezufuhr das Arbeitsvolumen klein und der Druck groß und nach der Volumenvergrößerung das Volumen groß und der Druck klein sind.In order to obtain the largest possible increase in volume, it is essential that in the heat supply, the working volume is small and the pressure is high and after the volume increase, the volume is large and the pressure is small.
Somit ist es für den Wirkungsgrad und die Effizienz einer Wärmekraftmaschine wesentlich, dass eine möglichst hohe Wärmemenge in einem möglichst kleinen Volumen dem Arbeitsmedium zugeführt wird, was auch der Grund für die Verdichtung des Arbeitsmediums bei den Verbrennungskraftmaschinen ist.Thus, it is essential for the efficiency and efficiency of a heat engine that the highest possible amount of heat in the smallest possible volume of the working fluid is supplied, which is also the reason for the compression of the working fluid in the internal combustion engines.
Die Verteilung der Wärmemenge auf eine bestimmte Größe wird als Energiedichte bezeichnet.The distribution of the heat quantity to a certain size is called energy density.
Es wird während des Arbeitsprozesses hohe Energiedichte in niedrigere Energiedichte umgewandelt, so dass deren Differenz die Arbeitsleistung der Wärmekraftmaschine ist.It is converted during the work process high energy density in lower energy density, so that their difference is the power of the heat engine.
Zur Erfassung der thermischen Größen in Formeln, sind diese den physikalischen Größen zugeordnet.To record the thermal quantities in formulas, these are assigned to the physical quantities.
Die Zuführung der Wärme ”Q” erfolgt auf das Arbeitsmedium im Brennraum ”V”, der während der Wärmezufuhr konstant bleibt, so dass die Energiedichte der Wärme durch folgende Formel ausgedrückt wird: The supply of the heat "Q" takes place on the working medium in the combustion chamber "V", which remains constant during the heat supply, so that the energy density of the heat is expressed by the following formula:
Zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie muss die Energiedichte der Wärme in eine Energiedichte der Druckenergie umgewandelt werden.To convert heat into mechanical energy, the energy density of the heat must be converted to an energy density of the pressure energy.
Die Druckenergie ist das Produkt aus Druck mal Volumen.
Energiedichte der Druckenergie ist der Druck
Somit ist die Wärmedichte wie der Druck eine Zustandsgröße und vom Weg der Zustandsänderung unabhängig.Thus, the heat density as well as the pressure is a state variable and independent of the path of change of state.
Wird eine Wärmemenge ”Q” dem Arbeitsmedium mit der Masse ”m” zugeführt, so steigt dessen Temperatur ”T” um die Temperaturerhöhung ”ΔT”.If a quantity of heat "Q" is supplied to the working medium with the mass "m", its temperature "T" rises by the temperature increase "ΔT".
Äquivalent dazu steigt zum Anfangsdruck ”po” der Gesamtdruck ”p” um den Druckzuwachs ”pw” durch die Wärmezufuhr.
Nach der allgemeinen Gasgleichung ist
Die Gleichung für die Temperaturerhöhung wird in die allgemeine Gasgleichung eingesetzt
Nach Auflösen nach dem Druck ergibt sich:
Der erste Summand ergibt den Druck vor Beginn der Wärmezufuhr, während der zweite Summand sich nach der Wärmezufuhr in zwei Faktoren aufgliedert.
Erster Faktor:
First factor:
Auf die Masse von einem Kg bezogen wird mit
q kJ/kg
v m3/kg
q kJ / kg
vm 3 / kg
Der Umwandlungsfaktor ist somit: The conversion factor is thus:
In der Thermodynamik wird für die Wärmezuführung bei der Berechnung und Auslegung von Wärmekraftmaschinen der Gemischheizwert ”HG” angegeben.In thermodynamics, the heat input in the calculation and design of heat engines is given as the mixture heating value "HG".
Dieser ist eine Energiedichte der Wärme, die sich auf einen Normkubikmeter des Arbeitsmediums bei stöchiometrischer Verbrennung bezieht.This is an energy density of heat, which refers to a standard cubic meter of the working medium at stoichiometric combustion.
Werden die physikalischen Daten des Normkubikmeters und der Gemischheizwert in die Formel für die Druckberechnung eingegeben, so wird mit
Es werden von dem Gemischheizwert nur 31,46% in Druck verwandelt.Only 31.46% of the mix heating value is converted to pressure.
Otto-Motor Otto engine
Der Otto-Motor hat einen Gemischheizwert des Benzin-Luftgemisches von
HG = 3655,07 kJ/m3 The Otto engine has a mixture calorific value of the gasoline-air mixture of
HG = 3655.07 kJ / m 3
Damit ergibt sich für den unverdichteten Normkubikmeter des Benzin-Luftgemisches bei der Verbrennung folgender Druck:
Zur Druckerhöhung auf einen maximalen Druck ”pmax” im System wird das Arbeitsmedium mit seinem Gemischheizwert vor der Verbrennung mit einem Verdichtungsverhältnis verdichtet, damit dessen Wärmedichte erhöht wird, um dann bei der Verbrennung bei gleichem Temperaturbeginn wie beim Normkubikmeter einen höheren Druck zu erzielen.
Mit unverändertem Umrechnungsfaktor und einem Verdichtungsverhältnis ε = 10 wird:
Dieselmotordiesel engine
Um einen Vergleich der Energieumsetzung zwischen der Wärmekraftmaschine und dem Dieselmotor herzustellen, werden beide Maschinen mit der gleichen Wärmemenge beschickt und die daraus gewonnene Druckenergie ermittelt, die dann jeweils ein Maß für den Wirkungsgrad darstellt.In order to make a comparison of the energy conversion between the heat engine and the diesel engine, both machines are charged with the same amount of heat and the resulting pressure energy is determined, which then each represents a measure of the efficiency.
Die Zuführung einer Wärmemenge von Q = 1000 kJ in einen Normkubikmeter Luft entspricht den üblichen Verhältnissen ausgeführter Dieselmotoren mit Gleichdruckverbrennung.The supply of an amount of heat of Q = 1000 kJ in a standard cubic meter of air corresponds to the usual conditions of running diesel engines with constant pressure combustion.
Da beim Dieselmotor das Einspritzverhältnis den Wirkungsgrad mitbestimmt, wird als optimaler Kompromiss
φ = 1,77 bei einem Dichtungsverhältnis von
ε = 18 gewählt.Because with the diesel engine the injection ratio Determining the efficiency is considered an optimal compromise
φ = 1.77 at a sealing ratio of
ε = 18 selected.
Das p-v-Diagramm nach
Zustandspunkt P1 (Zustand des Normkubikmeters)
State point P1 (state of the standard cubic meter)
Das bedeutet, dass 564 kJ von 1000 kJ zugeführter Wärme in Druckenergie umgesetzt wurden, also ein thermischer Wirkungsgrad von η = 56,4%.This means that 564 kJ of 1000 kJ heat input have been converted into pressure energy, ie a thermal efficiency of η = 56.4%.
Es soll die jeweilige Nutzarbeit der aufgenommenen Wärmemenge von Q = 1000 kJ sowohl bei der Dampfmaschine als auch bei der Wärmekraftmaschine untersucht werden, also ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung auf das Arbeitsfluid.It is the respective useful work of the absorbed heat quantity of Q = 1000 kJ are examined both in the steam engine and in the heat engine, ie without consideration of the efficiency of heat transfer to the working fluid.
Der Vergleich zwischen der Dampfmaschine und der Wärmekraftmaschine mit ihren gleichen Arbeitsfluiden erfolgt über die Wärmedichte, die bei beiden Maschinen gleich gesetzt wird.The comparison between the steam engine and the heat engine with their same working fluids is based on the heat density, which is set the same for both machines.
Zur Erzeugung von übererhitztem Wasser-Dampf für eine Dampfmaschine wird eine Wärmemenge benötigt, die das Wasser bis zum Siedepunkt erwärmt, dann mit der Verdampfungswärme verdampfen lässt und anschließend den Dampf erhitzt.To generate superheated steam for a steam engine, a quantity of heat is needed which heats the water to boiling point, then evaporates with the heat of vaporization and then heats the steam.
Die Summe dieser Wärmemengen wird als Enthalpie des Dampfes angegeben. Wenn der Dampf die Überhitzungstemperatur ”T” und den Dampfdruck ”p” hat, so liegen damit seine Enthalpie ”h” und sein spezifisches Volumen ”v” und damit auch seine Wärmedichte w = h/v kJ/m3 fest.The sum of these amounts of heat is given as the enthalpy of the vapor. If the steam has the superheating temperature "T" and the vapor pressure "p", then its enthalpy "h" and its specific volume "v" and thus also its heat density w = h / v kJ / m3 are fixed.
Bei der Wärmekraftmaschine wird zur Erzeugung der gleich hohen Temperatur eine geringere Wärmemenge benötigt, da sie direkt im kleineren Volumen ohne Verwandlung in Dampf und dessen Erhitzung dem Arbeitsfluid zugeführt wird.In the heat engine, a smaller amount of heat is needed to produce the same high temperature, since it is supplied directly to the working fluid in the smaller volume without conversion into steam and its heating.
Bei der Umwandlung des eingespritzten Wassers in Dampf wird bei konstanter Temperatur Energie dem Arbeitsfluid in Form von Verdampfungswärme entzogen, so dass diese wie bei konventioneller Dampfherstellung die aufgenommene Wärmemenge zur Umwandlung in Nutzenergie schmälert.In the conversion of the injected water into steam at constant temperature energy is removed from the working fluid in the form of heat of evaporation, so that this reduces the amount of heat absorbed for conversion into useful energy as in conventional steam production.
Die Wärmeaufnahme bei der Wärmekraftmaschine erfolgt über die spezifische Wärmekapazität ”cp” und ist:
Obwohl die spezifische Wärmemenge ”q” die gleiche Dimension wie die spezische Enthalpie ”h” hat, ist die Wärmemenge ”q” höherwertiger.Although the specific heat quantity "q" has the same dimension as the specific enthalpy "h", the amount of heat "q" is higher.
Erst wenn die Wärmemenge
”q” über die Wärmedichte ”w” in Enthalpie umgerechnet ist, können beide miteinander verglichen werden.Only when the amount of heat
"Q" is converted over the heat density "w" into enthalpy, both can be compared with each other.
Dampfmaschine nach p-v-Diagramm in Fig. 3Steam engine according to p-v diagram in Fig. 3rd
Zum Vergleich mit dem Dieselmotor wird ein Dampf mit annähernd gleichem Druck gewählt:
Zustandspunkt P1 (zuströmender Dampf bei V1 = 0,0 m3)
Zustandspunkt P2 (Dampfeinströmende)
Zustandsdaten von P2 entsprechen P1
Zustandspunkt P3 (nach Dampfexpansion)
State point P1 (inflowing steam at V 1 = 0.0 m 3 )
State point P2 (steam inlet end)
Condition data of P2 correspond to P1
State point P3 (after steam expansion)
Das bedeutet, dass 330 kJ von 1000 kJ zugeführter Wärme in Nutzarbeit umgesetzt wurden, also ein thermischer Wirkungsgrad von η = 33%.This means that 330 kJ of 1000 kJ of heat supplied have been converted into useful work, ie a thermal efficiency of η = 33%.
Wärmekraftmaschine nach p-v-Diagramm in Fig. 4Heat engine according to p-v diagram in Fig. 4th
- Zustandspunkt P1State point P1
Einspritzbeginn von 623 K warmen Wassers in einem von Null beginnenden Volumen, in dem auch die Zustandsgrößen gleich Null sind.Injection start of 623 K warm water in a volume starting from zero, in which the state variables are also zero.
- Zustandspunkt P2State point P2
Folgende Daten sind mit dem Dampf der Dampfmaschine in Punkt2 identisch:
Damit sind auch das spezifische Volumen und die spezifische Enthalpie gleich wie in Punkt2 der Dampfmaschine.
Die Masse des Einspritzwassers:
Das ergibt ein Dampfvolumen während des Einspritzens:
Damit ist das Dampfvolumen bei einem Druck von p = 60 bar und einer Temperatur von T = 350°C bei gleichgroßer Wärmeaufnahme doppelt so groß wie bei einer konventionellen Dampferzeugung.Thus, the vapor volume at a pressure of p = 60 bar and a temperature of T = 350 ° C with the same heat absorption twice as large as in a conventional steam generation.
- Zustandspunkt P3State point P3
Zustandsdaten entsprechen denen in P3 der Dampfmaschine
Spezifischer Arbeitsgewinn durch Dampfexpansion ist gleich dem bei der Dampfmaschine Δh2-3 = 749 kJ/kg.Condition data correspond to those in P3 of the steam engine
Specific work profit by steam expansion is equal to that in the steam engine Δh 2-3 = 749 kJ / kg.
Die Volumenarbeit entfällt bei der Wärmekraftmaschine, weil der Dampf erst im Zylinderraum gebildet wird.
Nutzarbeit = Für mechanische Energie verwertbare Energie
Effective work = energy usable for mechanical energy
Das bedeutet, dass 509 kJ von 1000 kJ zugeführter Wärme in Nutzarbeit umgesetzt wurden, also ein thermischer Wirkungsgrad von η = 50,9%.This means that 509 kJ of 1000 kJ heat input have been converted into useful work, ie a thermal efficiency of η = 50.9%.
Bei je gleichen aufgenommenen Wärmemengen mit Q = 1000 kJ werden bei der Wärmekraftmaschine 54% mehr Energie in Nutzarbeit umgesetzt als bei der Dampfmaschine mit konventioneller Dampferzeugung.With equal absorbed amounts of heat with Q = 1000 kJ in the heat engine 54% more energy is converted into useful work than in the steam engine with conventional steam generation.
Wertebestimmung bei verändertem Volumen V2 während des Einspritzens
Vergleich thermischer Wirkungsgrade von Maschinentypen.Comparison of thermal efficiencies of machine types.
Der gesamte thermische Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Produkt des thermischen Wirkungsgrades des Maschinentyps mit dem Wirkungsgrad des Kessels ηK = 0,85, der die Wärmeübertragung auf das Arbeitsfluid kennzeichnet und beim Dieselmotor entfällt.
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DE201310007337 DE102013007337A1 (en) | 2013-04-27 | 2013-04-27 | Heat engine with high thermal efficiency |
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- 2013-04-27 DE DE201310007337 patent/DE102013007337A1/en not_active Withdrawn
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