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Publication number: DE167787C
Application number: DENDAT167787D
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KAISERLICHES

PATENTAMT.

M 167787 KLASSE 46 if.

In den bekannten Gasmotoren geht ein großer Teil der Wärme dadurch verloren, daß behufs Erniedrigung hoher schädlicher Temperaturen Kühlwasser zum Kühlen heißer Motorteile und der Auspuffleitungen benutzt werden muß.

Dieses Kühlwasser führt nutzlos eine große Menge Wärme ab, während andererseits auch die beißen Auspuffgase des Motors einen

ίο großen Teil der Wärme mit herausbefördern. Manche Erfinder haben bereits versucht, diese Abwärme zur Krafterzeugung in besonderen Motoren nutzbar zu machen. Der nächstliegende Weg war der, den Motor-Zylindermantel als Dampfkessel auszubilden, so daß die Wärme direkt zur Dampferzeugung benutzt, der erzeugte Dampf meist den Explosionsprodukten zur Krafterzeugung beigemengt werden und auch in einer gewohnlichen Zylinderdampfmaschine zur Expansion kommen konnte. Bei diesem Verfahren bildeten sich am Gasmotor-Zylindermantel Dampf blasen, welche eine intensive Wärmeabführung durch das Kesselwasser unmöglich machten. Das Kesselwasser selbst befand sich im übrigen in seinem Siedepunkt und vermochte nur Wärme aufzunehmen, indem es, wie erwähnt, sofort Dampf blasen bildete.

Außerdem zeigte sich der Übelstand, daß die vorhandene Wassermenge entweder zu klein war, um einen Beharrungszustand zu gewährleisten, oder aber der Dampkessel (Zylinder) fiel zu groß aus, wodurch die ganze Motorenanlage beeinträchtigt wurde.

Ein anscheinend besserer Weg ist in der Patentschrift 150004 beschrieben, woselbst der Erfinder den Dampfkessel mit dem Kühlmantel des Gasmotors verbindet, ihn jedoch mit einer Kaltdampf flüssigkeit statt mit Wasser füllt. Nun hat aber die Verdampfung von Kaltdampfflüssigkeiten infolge der üblen Eigenschaften der Kaltdämpfe manche Nachteile im Gefolge, die teils auf chemischem Gebiet liegen, teils in den hohen Druckverhältnissen dieser Medien ihre Begründung finden; immerhin bedeutet die Anwendung eines vom Motorzylinder räumlich getrennten Kaltdampfkessels bereits einen Fortschritt. Überdies hat jener Erfinder bereits seinen Kaltdampfkessel hoch gestellt, jedoch nur zu dem Zweck, damit die Zylindermäntel stets mit Flüssigkeit gefüllt sind. Es ist jedoch notwendig, die Dampfblasenbildung im Zylindermantel zu hintertreiben, da die Dampfblasen isolierend wirken und nur eine Flüssigkeit eine gute Wärmeabführung gewährleistet.

Bei dem vorliegenden Verfahren ist es notwendig, den Dampfkessel räumlich vom Motorzylinder zu trennen zu dem Zweck, im Zylindermantel einen anderen Flüssigkeitsdruck halten zu können wie im Dampfkessel selbst. Außerdem kommen an Stelle von Kaltdämpfen vorteilhaft Wasserdämpfe in Anwendung wegen der günstigeren chemischen Eigenschaften und Druckverhältnisse der letzteren.

Da Wasserdämpfe im allgemeinen bei Atmosphärendruck erst bei 100° sieden, so

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empfiehlt es sich, um hohe Temperaturen zu vermeiden, den Dampferzeuger mit einem Dampfmotor zu verbinden, der selbst bei geringem Druck, unter Umständen auch bei Vakuum bereits wirtschaftlich zu arbeiten vermag. Ein solcher Motor ist in erster Linie die Kondensations -Wasserdampfmaschine. Da diese jedoch bei diesen geringen Drücken sehr groß ausfallen würde, ist es

ίο empfehlenswert, eine Kondensations-Niederdruckdampfturbine in Anwendung zu bringen, weil diese große Dampfvolumina von geringer Spannung durch Hinterschluß einer Kondensation sehr wirtschaftlich zu verarbeiten vermag.
Es muß daher

1. Wasser als Kühlmittel Verwendung finden.

2. Der Wasserdampferzeuger muß räumlieh getrennt vom zu kühlenden Motorzylinder angeordnet werden, und zwar dergestalt, daß im Dampferzeuger notfalls ein geringerer Druck erzeugt werden kann als im Zylindermantel, so daß im letzteren das Wasser noch eine erhebliche Wärmemenge aufnehmen kann, ehe es im Motormantel zum Siedepunkt gelangt. Das eigentliche Sieden des Wassers soll also zweckmäßig erst im Dampfkessel selbst erfolgen, weil dort ein geringerer Druck herrscht. Dieser geringe Dampfdruck nötigt andererseits dazu, denselben in einer

3. Dampfmaschine, besser einer Turbine, zur Expansion zu bringen, welche

4. unter dem Einfluß eines Dampfkondensators steht, so daß der expandierte Dampf als reines Kondensat in dem Kondensator zur Verfügung steht, von wo aus es vermittels einer Pumpe wieder in den Kreislauf des Dampferzeugungsprozesses eingeführt werden könnte. Es bildet somit die ganze Anordnung ein geschlossenes Wasserdampf-Wärme-Ausnutzungssystem, bei welchem stets dasselbe Wasser wieder Verwendung finden kann, und da diesem Wasser weder Gelegenheit gegeben wird, mit der Luft in Berührung zu kommen, noch sonstige Bestandsteile aufzunehmen, so kreist es ohne Beimengungen in dem geschlossenen Kühlsystem, wodurch jegliche Kesselsteinbildung im Gasmotorenzylinder vermieden wird, so daß eine intensive Wärmeabführung durch das Kühlwasser gewährleistet wird.

In welcher Weise die Hintertreibung der Dampfblasenbildung gedacht ist, ergibt sich aus der Erwägung, daß bei höherem Druck im Kühlmantel auch das Wasser erst bei höherer Temperatur siedet, so daß, wenn die Turbine mit Dampf von 100 ° arbeitet, jedem Liter Wasser bei 3 Atm. Druck theoretisch 133 — joo = 33 Kai. zugeführt werden können, ehe das Wasser zur Dampfblasenbildung geneigt ist.

Auf der Zeichnung ist das Verfahren an einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Eine Gasmaschine M, welche in bekannter Weise arbeitet, wird von außen her an allen notwendigen Stellen durch Kühlwasser gekühlt. Während dieses so erwärmte Kühlwasser jedoch bisher nutzlos weglief, oder unter Verursachung von Pumpenarbeit in Rückkühlwerken, Luft aufnehmend, abgekühlt wurde, wird im vorliegenden Falle der Wasserraum eines (behufs Verhinderung von Dampfbildung in den Kühlmänteln infolge Drucksteigerung zweckmäßig hochstehenden) Kessels K, welcher vorteilhaft gut isoliert wird, dergestalt mit den zu kühlenden Teilen des Motors durch Rohrleitungen W, W₁, W₂ verbunden, daß mit Sicherheit stets angenommen werden kann, daß sämtliche zu kühlenden Teile mit Überdruck unter Wasser stehen.

In dem Dampfkessel möge beispielsweise ein Druck von ¹J₂ Atm. herrschen, was einer Dampftemperatur von etwa 110⁰C. entsprechen würde. Wenn der Wasserstand des Kessels etwa um 10 m höher liegt als der Motor, so ist der Druck im Motor etwa ι + ^]/₂ = i^]/₂ Atm. Das Motorwasser siedet bei diesem Druck erst bei etwa 127⁰C. Sobald der Gasmotor Wärme an das Kesselwasser abgibt, wird sich das Wasser von 110° im Motor erwärmen, steigt, da es spezifisch leichter wird, in der Rohrleitung W₂ hoch und tritt in den Wasserraum des Kessels, während durch die Rohrleitung W, W₁ eine entsprechende Kühlwassermenge nachströmt.

Es stellt somit in bezug auf die Motorkühlung der Kesselinhalt ein großes Wasservolumen dar, welches gewährleistet, daß stets alle Motorteile vom Kühlwasser (nicht vom Wasserdampfgemisch) bespült sind. Die Zirkulation oder der Druck könnte nötigenfalls in künstlicher Weise (z. B. durch eine Pumpe) erhöht werden. Der gebildete nasse Dampf von ¹J₂ Atm. Überdruck tritt vorteilhaft bei D aus dem Kessel und bei D₁ in einen Überhitzer U. In diesem Überhitzer können event, die Auspuffgase des Motors, welche mit. etwa 400 ° und darüber bei G₂ aus der Leitung eintreten, zur Dampfüberhitzung ausgenutzt werden, so daß dieselben bei G₃ mit etwa 200 ° auspuffen könnten. Der Dampf würde dadurch bei £>_ä bezw. D₃ auf etwa 250 ° überhitzt beim Motor T ankommen. Dieser Motor wird zweckmäßig als Dampfturbine ausgebildet, und ist es Bedingung, daß diese Turbine mit einem Kondensator C kombiniert ist, so daß der Dampf zunächst in der Turbine

expandiert und einen Teil seiner Wärme j dort in Arbeit umsetzt, um schließlich, durch die Leitung D₄ in den Kondensator C eintretend, kondensiert zu werden.
• 5 Die Überhitzung des Dampfes verursacht bei Dampfturbinen bekanntlich eine nicht unbedeutende Herabsetzung der Reibungswiderstände, während das Vakuum gestattet, gegebenenfalls mit geringer Spannung und

ίο Dampf temperatur noch wirtschaftlich zu arbeiten.

Da der Auspuffdampf häufig noch überhitzt ist, ist es auch möglich, ihn in bekannter Weise vermittels der Rohre R, R_v R_v R_a erst durch das Wasser des Kessels K, dampfbildend, hindurch zu führen (wenn die Temperatur des Kesselwassers noch einen Wärmegewinn erhoffen läßt), ehe er in den Kondensator C eintritt.

Da der Motor gewisse Teile besitzt, welche vielleicht einer tieferen Kühlung als iio° bedürfen, so empfiehlt es sich, diese Teile mit dem kalten Speisewasser des Wärmespeichers K (als welches wohl das Kondensat aus C stets in Frage kommt) zunächst in Berührung zu bringen, indem beispielsweise eine Speisepumpe Sp das kältere Kondensat durch diese Teile drückt, wodurch dieses kältere Wasser gleichzeitig vorgewärmt wird und somit dem Kessel bei Verwendung des Kondensats im' geschlossenen Kreislauf zugeführt werden könnte.

Es wäre auch möglich, behufs Steigerung der Zirkulation das gesamte, an den Kühlflächen hoch erwärmte Wasser unter dem hydrostatischem Druck einer Pumpe zulaufen zu lassen, welche dasselbe wieder in den Kessel drückt, von wo es in eben beschriebener Weise als Niederdruckdampf in die

40. Niederdruckturbine gelangte; besser jedoch würde die Pumpe das Wasser durch die Mäntel drücken, behufs Drucksteigerung und Hintertreibung der Dampfbildung im Mantel, was dieselbe Wirkung hätte wie ein Hochstellen des Kessels. Auch wäre es möglich, durch direkte Feuerung die Dampfbildung im Speicher zu steigern, oder aber auch den Überhitzer direkt zu beheizen; jedenfalls ist die vorbeschriebene Form eine sehr zweckmäßige. Großen Wert erhält dieses Verfahren bei großen Kraftzentralen, woselbst sämtliche Mantelkühlungen vorteilhaft nach einem einzigen Speicher ihre Wärme abgeben können, um in einer Zentralturbine beispielsweise zur Bildung von Elektrizität in einer Dynamomaschine verbraucht zu werden.

Wie hoch mit der Dampftemperatur im Dampfkessel K gegangen werden darf, hängt von verschiedenen Nebenumständen ab.

Jedenfalls ist unter dem Einfluß des Vakuums auch Kühlwasser unter 100 ° C. denkbar. Naturgemäß wird man jedoch die Temperatur und den Druck im Kessel so hoch hinaufzuschieben versuchen, wie es die Gasmotoren zulassen.

Charakteristisch für das vorliegende Verfahren sind namentlich folgende Kennzeichen:

1. die exakte Trennung der Gasarbeit von der Wasserdampfarbeit (zwei getrennte Motorarten);₍

2. die Einschaltung eines Wasser-Wärmespeichers (vom Gasmotor räumlich getrennter Wasserdampferzeugers);

3. die Anordnung eines Wasserdampfmotors (Turbine), welcher, unter dem Einfluß einer Kondensation stehend, auch bei Niederdruck wirtschaftlich zu arbeiten vermag;

4. gegebenenfalls die stetige Wiederverwendung desselben Wassers (Kondensats) im geschlossenen Arbeitsprozeß.

Claims

Patent-An Sprüche:

1. Verfahren zur Ausnutzung der Abwärme bei Gasmotoren behufs Krafterzeugung, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme aus den Kühlmänteln, unter Vermeidung der Dampfbildung in letzteren, durch Kühlwasser einem räumlich go getrennten Wärmespeicher K behufs Dampferzeugung in diesem zugeführt wird, während der erzeugte Wasserdampf in Kondensations - Dampfmaschinen T (Dampfturbinen) arbeitsleistend nutzbar gemacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bei solchen Wasserdampfanlagen, bei welchen die Dampfbildung in den Kühlmänteln dadurch hintertrieben wird, daß in letzteren künstlich ein höherer Druck erzeugt wird als im Wärmespeicher.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem behufs Vermeidung der Kesselsteinbildung die Wasserräume des Wärme-Speichers sowie die Kühlmäntel und der Kondensator durch ein geschlossenes Rohrsystem miteinander verbunden sind, so daß stets dasselbe Wasser innerhalb der Anlage kreist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.