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Publication number: DE191108C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 14 Ä. GRUPPE

JACOB MISZONG in HÖCHST a. M.

von Wärniemotoren.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 23. April 1905 ab.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und "eine Vorrichtung zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades der Wärmemotoren, bei welchen nur Überhitzungswärme oder außer dieser nur ein Teil der latenten Wärme in Arbeit umgesetzt wird und der wärmetragende Stoff (Dampf usw.) nach einer Periode positiver Arbeit ganz oder teilweise unter Wärmeentziehung auf die Anfangsspannung komprimiert wird.

Fig. ι stellt das Entropiediagramm einer Wasserdampfmaschine, welche mit 30 Atm. Überdruck und 405⁰ C. Überhitzung" arbeitet, dar. Gesättigter Wasserdampf von 30 Atm.

Überdruck hat eine Temperatur von 235⁰ C. Der senkrecht schraffierte Teil dieses Diagrammes stellt die Flüssigkeitswärme, welche dem Wasser zugeführt werden muß, um dasselbe von 40° auf 235⁰ zu erwärmen, dar. Der wagerecht schraffierte Teil stellt die latente Wärme des gesättigten Wasserdampfes von 235⁰ dar; die schräg schraffierte Fläche stellt die Überhitzungswärme, welche der von 235⁰ auf 405⁰ überhitzte Wasserdampf enthält, dar.

Läßt man diesen Dampf bis auf 40⁰ expandieren, so stellt die Fläche b c e g ib die Wärmemenge, welche von ι kg Wasserdampf in Arbeit verwandelt wird, dar. Die theoretische Wärmeausnutzung der normalen Dampfmaschine ergibt sich somit aus dem

b c e gib

Verhältnis der Flächen

Aus

ab c e gh a

dem Entropiediagramm Fig. τ ergibt sich, daß die Überhitzungswärme am günstigsten in demselben liegt, denn das Verhältnis der

Flächen k e g i k

ist ganz erheblich größer,

feghf

als das der gesamten Wärmemengen (Flüssigkeitsverdampfungs- und Überhitzungswärme) der normalen Dampfmaschine. Läßt - man Luft, welche auf 405⁰ überhitzt ist bis auf 40⁰ expandieren und komprimiert dieselbe alsdann isothermisch bis auf die Anfangsspannung, so fällt der Punkt e mit dem auf der Senkrechten f e des Wärmediagrammes für Wasserdampf Fig. 1 liegenden Punkte k des Wärmediagrammes für Luft zusammen, woraus sich ergibt, daß die Wärmeausnutzung der Luft bei isothermischer Kompression erheblich kleiner ist als bei Dampf, welcher adiabatisch bis auf die Anfangsspannung komprimiert wird.

Ein Weg, die Wärmeausnutzung der Dampfmaschine zu steigern ist der, nur oder doch in der Hauptsache nur, Überhitzungswärme in Arbeit zu verwandeln und die übrige Wärme durch Kompression unter Wärmeentziehung in den Anfangszustand (Anfangsspannung) zurückzuführen. Bei diesem Kreisprozeß, welcher in der Patentschrift 145802 für Wasserdampf ausführlich dargestellt und beschrieben ist, arbeitet hoch überhitzter Dampf in einem Zylinder wie bei einer normalen Dampfmaschine, dann wird er unter Ableitung einer' bestimmten Wärmemenge bzw. Abdampfmenge unter Wärmeentziehung durch Flüssigkeitseinspritzung in dem Kompressionsraum des Zylinders zum annähernd

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trockengesättigten Zustande und bis auf die Anfangsspannung komprimiert, hierauf in den Überhitzer zurückged rückt und nach derÜberhitzung gelangt derselbe zu erneuter Arbeitsleistung in den Arbeitsraum und das' Spiel wiederholt sich.

Der thermische Wirkungsgrad der Dampfmaschine nach der Patentschrift 145802 ergibt sich für die in Fig. 1 zugrunde gelegten Verhältnisse unter der Voraussetzung, daß nur die unter der Kondensatortemperatur (40⁰) liegende Wärmemenge der Fläche kihf in den Kondensator abgeführt wird, aus der Gleichung:

5 — 4O) + o,5 (4O5 — 235)

273 + 235 + o,5 (405—235) = 0,47 = 47 Prozent.

Eine weitere sehr bedeutende Steigerung des theoretischen thermischen Wirkungsgrades wird nach dem vorliegenden neuen Verfahren dadurch erzielt, daß der Dampf, welcher bei dem Verfahren nach dem D. R. P. 145802 nur bis zum annähernd trockengesättigten Zustande komprimiert wird, bis zum überhitzten Zustande, und zwar im Maximum bis zur Temperatur im Überhitzer komprimiert wird. Die Kompression des Dampfes bis zum überhitzten Zustande hat die im folgenden nachgewiesenen Vorteile zur Folge, welche aber praktisch nur mittels der im folgenden erläuterten eigenartigen Regulierung erfolgen kann, die auch bei dem älteren Verfahren nach dem D. R. P. 145802 verwendbar ist.

Der theoretische thermische Wirkungsgrad wird um so kleiner, je größer, und um so größer, je kleiner die vor der Kompression herausgelassene Dampfmenge ist, also am kleinsten, wenn die Auslaßorgane so wie bei den heutigen Dampfmaschinen nahezu während des ganzen Kolbenrückganges offen sind und am größten, wenn gar kein Dampf vor der Kompression herausgelassen wird, also die geleistete Arbeit Null ist.

Bei einer Überhitzungstemperatur von 405⁰ bzw. 500⁰ und einem angehängten Kaltdampfzylinder beträgt der höchste theoretische thermische Wirkungsgrad, wenn der Dampf statt bis zum trockengesättigten bzw. schwach gesättigten Zustande, wie in der Patentschrift 145802 angegeben, bis zur Überhitzungstemperaitur von 405⁰ bzw. 500⁰ komprimiert wird:

bzw. — = 58,2s Prozent bzw. 63,38 Prozent.

405 + 273 500 + 273 ° ' ^Ö!i

Fig. 2 zeigt ein Wärmediagramm, bei welchem die Dampfanfangsspannung 60 Atm.

und die' höchste Überhitzungstemperatur 500⁰ beträgt und bei welchem, nur Wasser in den

Überhitzer eingespritzt wird und dje Arbeitsleistung so klein ist, daß der Dampf während der oberen isothermischen Kompression auf 400⁰ überhitzt ist. Der theoretische thermische Wirkungsgrad beträgt dabei bei io° unterer Temperatur der Kaltdampfmaschine:

400 + 500

—10

400 + 500

0,60 = 60 Prozent.

273

Und bei 40⁰ unterer Temperatur beträgt derselbe 0,567 = 0,56 Prozent. Dieses bedeutet gegenüber den heutigen Dampfmaschinen, bei welchen der theoretisch thermische Wirkungsgrad bei 12 Atm. Überdruck und 300⁰ Überhitzung nur 25 Prozent beträgt, einen ganz bedeutenden technischen Fortschritt.

Wird nur die durch die Fläche k e g i (Fig. i) dargestellte Wärme in Arbeit verwandelt und dabei nur Wasser in den Zylinder eingespritzt, so muß der bis auf die Anfangsspannung komprimierte Dampf während der oberen isothermischen Kompression gerade trockengesättigt sein; wird aber dabei auch Wasser in den Überhitzer und die mit demselben verbundenen Rohrleitungen und •Dampfsammler usw.,- eingespritzt, so muß die

in den Zylinder eingespritzte Wassermenge um die in den Überhitzer usw. eingespritzte Wassermenge kleiner sein, und der Dampf ist dann während der oberen isothermischen Kompression um so viel überhitzt, daß seine Überhitzungswärme das in den Überhitzer usw. eingespritzte Wasser gerade in trockengesättigten Dampf verwandelt.

Da bei dem vorliegenden Wärmekreisprozeß, wie bereits erwähnt, der theoretische thermische Wirkungsgrad am kleinsten ist, wenn die Auslaßorgane so lange offen sind, daß der Dampf vor dem Kolben erst am Ende des Kolbenhubes bis zur Anfangsspannung komprimiert wird und mit kleiner werdendem Dampf vorauslaß stetig zunimmt, wenn das Gewicht des vor der Kompression heraus-

gelassenen Dampfes und des durch Undichtigkeiten entweichenden Dampfes mit dem Gewicht der Einspritzwassermenge genau übereinstimmt, so ist eine äußerst exakte Steuerung und Regulierung der Maschine erforderlich, damit dieselbe richtig arbeitet und der höchste thermische Wirkungsgrad erreicht wird. Zweckmäßig wird man auch die Dampfanfangsspannung möglichst hoch wählen

ίο — 20 bis 6o Atm. — und die Zylinderabmessungen und Kolbengeschwindigkeit so wählen, daß die Verlangte normale Arbeitsleistung der Maschine nur durch Überhitzungswärme geleistet wird, weil der theoretische

thermische Wirkungsgrad in dem Überhitzungsgebiet mit abnehmender Leistung ganz erheblich schneller zunimmt, als in dem Gebiet des gesättigten Dampfes. Wenn jedoch das Brennmaterial billig oder die Wärme des Abdampfes vollständig für Heiz- oder Kochzwecke ausgenutzt werden kann, so wird man mit Rücksicht auf die Anlagekosten nicht nur Überhitzungswärme, sondern auch einen Teil der Wärme des gesättigten Dampfes bzw. einen Teil der in dem Sättigungsgebiet liegenden Wärme in Arbeit verwandeln, weil dabei der mittlere Diagrammdruck größer und dadurch die Zylinderdimensionen kleiner werden und mithin die Anlagekosten niedriger werden.

Die neue Dampfmaschine besitzt bezüglich der Ausnutzung ihrer Abwärme folgende drei ganz wesentliche Vorzüge:

1. Die Abwärmemenge ist in demselben Verhältnis kleiner als die in Arbeit umgesetzte Wärmemenge größer ist, also ist die Möglichkeit, dieselbe vollständig auszunutzen, in demselben Verhältnis größer.

2. Da kein Dampfkessel erforderlich ist, ,so kann die Dampfanfangsspannung 20 bis : KX) Atm. betragen und der Abdampf kann

mit 3_Jbis 15 Atm. Spannung entweichen, so

daß man denselben für Kochzwecke ■ und Fernheizungen, von sehr großer Ausdehnung verwenden kann.

3. Da die in dem Überhitzer usw. eingespritzte Wassermenge in sehr weiten Grenzen variabel ist, so ist die Abwärmemenge ebenfalls in sehr weiten Grenzen variabel.

Die exakte Steuerung und Regulierung der Maschine, auf welche die Dampfanfangsspannung, die Admission des hochgespannten Dampfes, die Ausnutzung der Abwärme für Heiz- und Kochzwecke, das Ende der unteren und der Beginn der oberen isothermischen Kompression, die durch Undichtigkeiten entstehenden Dampf Verluste, die Menge und Temperatur der in den Hochdruckzylinder • und in den Überhitzer und den mit dem Überhitzer verbundenen Rohrleitungen und Dampfsammler eingespritzten Wassermenge, der Be-

ginn und das Ende der Wassereinspritzung in den Hochdruckzylinder und ganz besonders die geringe Menge der aufgespeicherten Wärme infolge des weggefallenen Dampfkessels von «Einfluß sind, erscheint sehr verwickelt und sehr schwierig.

Wenn die positive Arbeitsleistung nur in dem Überhitzungsgebiet liegt, also nur Überhitzungswärme in Arbeit verwandelt wird, so ist der thermische Wirkungsgrad um so größer, je höher die Temperatur bei Beginn der oberen isothermischen Kompression ist, und diese ist um so höher, je größer das Volumen des während der Admission eintretenden Dampfes ist.

Da man aber (s. Fig. 3) bei abnehmender Arbeitsleistung die Admission bzw. die Füllung des Hochdruckzylinders nicht vergrößern wird und die Arbeitsleistung nur vom Ende der unteren und vom Beginn der oberen isothermischen Kompression, also von dem Volumen des während der unteren isothermischen Kompression herausgelassenen Dampfes und der in den Zylinder eingespritzten Wassermenge abhängt, so läßt man den Regulator zweckmäßig nicht auf die Dampfanfangsspannung und die Füllung, sondern nur auf die Dampfauslaßorgane und die Wassereinspritzvorrichtung einwirken. Hierbei bleibt die Admission bzw. die Einlaßfüllung und die Spannung am Ende der Expansion konstant und hierdurch wird eine äußerst exakte Steuerung und Regulierung der Maschine ermöglicht. Sieht man der Enfachheit wegen vorerst von den Dampfverlusten durch Undichtigkeiten ab, so muß bei einer exakten Steuerung und Regulierung der Maschine das Gewicht des während der unteren isothermischen Kompression herausgelassenen Dampfes mit dem Gewicht der Einspritzwassermenge genau übereinstimmen.

Nimmt man auch der Einfachheit wegen vorerst an; daß nur Wasser in den Zylinder eingespritzt wird oder daß, wenn auch Wasser in den Überhitzer usw. eingespritzt wird, die gasamte Einspritzwassermenge durch eine Regelungsvorrichtung, als welche beispielsweise die des Dieselmotors verwendet werden kann, zugeführt wird, so wird eine äußerst exakte Steuerung und Regulierung erzielt, wenn die Verhältnisse der von dem Regulatormuff beeinflußten Steuerungshebel usw. der Dampfauslaßorgane und der Einspritzvorrichtung so ausgeführt werden, daß die für eine bestimmte Leistung ermittelten Verhältnisse der Hebel bzw. der Hubhöhen, Wege oder Durchgangsquerschnitte der Steuerorgane bei allen Arbeitsleistungen dieselben sind.

Fig. 4 zeigt beispielsweise das Schema einer Ausführungsform der Hebelanordnung und des Gestänges der Regulierung des Dampf-

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vorauslasses und der Einspritzpumpe mit. reguliertem Saugventil, wie es beim.Dieselmotor verwendet wird, α ist der feste Drehpunkt des von dem Regulatormuff g betätigten Hebels h, b der Drehpunkt bzw. das Scharnier/¹ der das Gestänge der Einspritzpumpe mit v. reguliertem Saugventil betätigenden Stange e, ν das Scharnier der die Dampfvorauslaßvorrichtung betätigenden Stange d und f die

to Regulatorspindel.

Es ist zweckmäßig, die auf dem von dem Regulatormuff g beeinflußten Hebel h liegen-" den Angriffspunkte c und b (Zapfen oder Scharnierbolzen), welche die Vorrichtungen zum Dampfauslaß (Auslaßorgane) und zur Wassereinspritzung (Regelungsvorrichtung des Dieselmotors usw.) betätigen, verstellbar zu machen oder andere geeignete Stellvorrichtungen einzuschalten. Der durch Undichtigkeiten entstehende Dampfverlust, welcher eine allmähliche Abnahme der Dampfanfangsspannung bis zum vollständigen Stillstand der Maschine zur Folge haben würde, wird dadurch ersetzt, daß man beispielsweise den auf dem von dem Regulatormuff betätigten Hebel liegenden, die Bewegung der Einspritzvorrichtung einleitenden Angriffspunkt b verstellbar macht und die Entfernung desselben von dem Drehpunkt α des Hebels h um so viel größer macht, daß die Dampfanfangsspannung annähernd konstant bleibt.

Diesj:J3ampfverluste können auch dadurch ersetzt werden, daß man einen kleinen Dampfkessel mit dem Überhitzer verbindet, oder indem man dem Überhitzer durch eine Einspritzdüse Wasser zuführt, dessen Adenge durch einen hydraulischen Druck, welcher durch einen Akkumulator o. dgl. auf der richtigen Höhe gehalten wird, reguliert wird.

Da die positive Arbeitsleistung nur von der Einwirkung des Regulators auf den Dampfvorauslaß und die Einspritzvorrichtung abhängt, so hat die Einwirkung desselben oder eine Einwirkung von Hand auf die Dampf-

*5 anfangsspannung oder die Dampfeinlaßorgane bzw. die positive Füllung nur dann einen Zweck, wenn man das Gewicht der expandierenden und der vor der adiabatischen Kompression hinausgelassenen Dampfmenge aus

ίο irgend einem Grunde ändern will. Durch eine Einwirkung des Regulators auf die Dampfanfangsspannung oder die Dampfeinlaßorgane entstehen bei der Steuerung und Regulierung Unregelmäßigkeiten, welche durch

Änderung der Verhältnisse der Hebellängen bzw. Hubhöhen, Wege oder Durchgangsquerschnitte der Steuerorgane oder in derselben Weise, wie die Dampfverlust.e durch Undichtigkeiten, ausgeglichen werden.

ίο Bei direkter Wassereinspritzung in den Überhitzer behufs Schonung desselben gegen Verbrennung oder' bei wechselnder Entnahme von Abdampfwärme für Heiz- oder Kochzwecke usw. entstehen ebenfalls Unregelmäßigkeiten bei der Steuerung und Regulierung, welche in gleicher Weise, wie bei den vorstehend angegebenen Unregelmäßigkeiten, ausgeglichen werden.

Wenn man bei Kolbenmaschinen oder Kapselmaschinen während des ganzen Kolbenrückganges bzw. während der ganzen Kompression (unterer und oberer isothermischer und dazwischen erfolgender adiabatischer Kompression) Wasser, einspritzt, so muß die Menge desselben durch Veränderung ihrer Durchgangsquerschnitte reguliert werden. Bei Turbinen kann sowohl die Flüssigkeitseinspritzung als der Dampfauslaß vor der Kompression durch Veränderung der Durchgangsquerschnitte reguliert werden.

Da die Widerstände bei der Kompression von Dampf in einem Turbekompressor um so kleiner sind, je trockener der Dampf ist, so spritzt man die Flüssigkeit zweckmäßig kontinuierlich an mehreren Stellen, ■ an welchen verschiedene Drücke herrschen, ein. Wenn man den vor der Kompression herausgelassenen Dampf in einem Niederdruckzylinder Arbeit-verrichten läßt, so wird man die Bohrung desselben zweckmäßig so groß wählen, daß die Füllung desselben mit der negativen (Auslaß) Füllung übereinstimmt und die Einlaßorgane ebenfalls durch den Regulator beeinflussen. Statt Wasserdampf können auch andere geeignete Dämpfe verwendet werden.

Claims

Patent-An Sprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades von Wärmemotoren in der in der Patentschrift 145802 beschriebenen Weise, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des Dampfes und die Einspritzung der Flüssigkeit in den Kompressionsraum und den Überhitzer so geregelt wird, daß die Kompressionstemperatur zunächst in dem Sättigungsgebiet annähernd gleich der Sättigungstemperatur bleibt, darauf aber diese übersteigt und vorzugsweise möglichst nahe der Überhitzungskurve (e g) bleibt.

2. Regelung der Dampfmaschine (Kolbenmaschine, Kapselmaschine, Dampfturbine) mit dem im Anspruch 1, angegebenen Kreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß die grundsätzliche Regelung durch den Dampfauslaß und die Wassereinspritzung in dem Kompressionsraum erfolgt und nur die dabei nicht vermeidbaren Unregelmsßigkeiten durch Einspritzung in den Überhitzer oder Dampfeinlaß aus einem besonderen Dampfkessel

ausgeglichen werden und bei Verwendung des Abdampfes für Heiz- oder Kochzwecke auch der Dampfeinlaß oder die Dampfanfangsspannung oder beides zugleich geregelt wird.

3. Vorrichtung zur Regelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Regulatormuff (g) aus ein Steuerungsgestänge bewegt wird, dessen auf den Dampfauslaß und die Flüssigkeitseinspritzung wirkenden Teile bei allen Arbeitsleistungen dasselbe Verhältnis der auf die Steuerung einwirkenden Bewegungsgrößen haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.