DE19612547A1 - Verfahren einer umweltfreundlichen Brennkraftmaschine hohen Wirkungsgrades - Google Patents

Verfahren einer umweltfreundlichen Brennkraftmaschine hohen Wirkungsgrades

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Description

In der Patentschrift DD 2 28 321 A1 wird das Verdichtungsver­ hältnis des Gleichdruckprozesses durch Vorschalten eines Verdichters erhöht, so daß mit zweistufiger Verdichtung und zweistufiger Expansion die Verlustwärme reduziert werden kann.
Die Patentschrift DE 40 15 104 A1, die die Patent­ schrift DD 2 28 321 A1 einschließt, kombiniert Kraftmaschinen zur Wirkungsgraderhöhung.
Ziel der Erfindung ist es, eine Kraftmaschine zu entwic­ keln, die einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch einen Verdichtungsprozeß in der Brennkraftmaschine Verlust­ energie niedriger Temperatur in Energie hoher Temperatur umgewandelt wird, mit der weitere Wärmekraftmaschinen be­ trieben werden können.
Die Verbrennungsmaschine besteht aus zweistufigem Verdich­ ter und zweistufiger Expansionsmaschine. Das Prinzip der Brennkraftmaschine ist in Fig. 1 skizziert. Die von der Verbrennungsmaschine angesaugte Luft mit der Temperatur T₀₁ und dem Druck p₀₁ durchläuft die Wärmetauscher 9, 10, 11 und wird vom Abgas der Verbrennungsmaschine, vom expandierten Arbeitsgas der Heißgasmaschine und von der Kondensations­ wärme des expandierten Dampfes der Dampfmaschine erwärmt (T₀₂, p₀₂) und anschließend im Verdichter 1 verdichtet. Diese die Verlustenergie enthaltende verdichtete Luft (T₀₃, p₀₃) erwärmt im Wärmetauscher 13 das verdichtete Arbeitsgas (T₁₂ , p₁₂ → T₁₃, p₁₃) der Heißgasmaschine und wird dabei gekühlt. Sie gelangt in den Wärmetauscher 14, in dem im Gegenstrom unter hohem Druck stehendes Wasser geleitet wird.
Durch die Verdampfung von Wasser (T₂₂, p₂₂ →T₂₄, p₂₄) wird die Luft weiter gekühlt (T₀₄, p₀₄) und anschließend verdich­ tet (Verdichtung zweiter Stufe; T₀₅, p₀₅) . Es schließt sich die Verbrennung im Gleichdruckprozeß und die Expansion in zwei Stufen in den Arbeitsräumen 3 und 4 an (T₀₅, p₀₅ →T₀₆, p₀₆ →T₀₇, p₀7). Das expandierte Abgas wird in den Wärmetau­ scher 9 zur Aufwärmung der angesaugten Luft geschoben.
Die Arbeitszyklen der Arbeitsmaschinen sehen folgendermaßen aus:
Heißgasmaschine:
Unter Druck stehendes Arbeitsgas (z. B. Luft) wird im Ver­ dichter 6 verdichtet (T₁₁, p₁₁ → T₁₂, p₁₂) und im Wärmetau­ scher 13 von der komprimierten Luft erster Stufe der Ver­ brennungsmaschine erwärmt (T₁₃, P₁₃). Nach der Expansion des Arbeitgases im Arbeitsraum 5 gibt das Arbeitgas im Wärme­ tauscher 10 Energie an die angesaugte Luft ab (T₁₄, p₁₄ →T₁₁, p₁₁)
Dampfmaschine:
Wasser (T₂₁, p₂₁) wird von der Pumpe 8 in einen Druckraum gepumpt (T₂₂, p₂₂) und im Wärmetauscher 14 von der verdichte­ ten Luft der Verbrennungsmaschine verdampft (T₂₄, p₂₄) . Nach der Expansion T₂₅, p₂₅) im Arbeitsraum 7 (Dampfmaschine) gibt das Wasser-Dampfgemisch im Wärmetauscher 11 Energie und Kondensationswärme an die angesaugte Luft der Verbrennungs­ maschine ab (T₂₁, p₂₁).
Der Expansionszylinder der Dampfmaschine kann entfallen, wenn der Wasserdampf dem heißen Arbeitsgas der Heißgasma­ schine zugemischt wird. Der Dampf entspannt zusammen mit dem Arbeitsgas im Arbeitsraum 5 der Heißgasmaschine, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Der Wärmetauscher 10 muß in diesem Falle auch als Kondensator fungieren. Die Pumpe 8 pumpt das Wasser aus dem Kondensator 10 in die Druckräume 12 und in den Wärmetauscher 14.
Die Drücke p₀₃ und p₀₄ der verdichteten Luft erster Stufe vor und nach den Wärmetauschern 13 und 14 sind etwa gleich groß. Das Verdichtungsverhältnis des Verdichters erster Stufe der Verbrennungsmaschine wird so eingestellt, daß die Temperatur der verdichteten Luft sehr viel höher als die des verdichteten Arbeitsgases ist, d. h. T₀₃<<T₁₂.
In der Verbrennungsmaschine wird durch die zweistufige Ver­ dichtung ein sehr hohes Verdichtungsverhältnis erreicht und damit ist der Druck p₀₅ sehr hoch. Die Drücke des verdichte­ ten Arbeitsgases p₁₂ und des Dampfes p₂₄, p₂₃ werden etwa gleich hoch gewählt (p₀₅ ≅ p₁₂ ≅ p₂₄ ≅ p₂₃). Die Heißgasmaschi­ ne wird somit mit einem entsprechend hohem Vordruck (p₁₄ ≅ p₁₁) betrieben. Die Wassertemperatur vor und nach der Was­ serpumpe ist etwa gleich hoch (T₂₁ ≅ T₂₂).
Durch den Verdichtungsprozeß heißer Luft sinkt der Wir­ kungsgrad der Verbrennungsmaschine auf η₁ Die Verlustener­ gie ∼(1-η₁) steht aber noch als Hochtemperaturenergie zur Verfügung und wird zum Antrieb der Heißgasmaschine und der Dampfmaschine, die zusammengenommen den Wirkungsgrad η₂ ha­ ben, betrieben. Dadurch ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad für die Wärmekraftmaschine von η=η₁+(1-η₁)η₂ mit
η₁ = Wirkungsgrad der Verbrennungsmaschine mit zweistufiger Verdichtung;
η₂= Wirkungsgrad von Heißgasmaschine und Dampfmaschine.
Nimmt man an, daß η₁ 30% und η₂ 50% erreichen, so ergibt sich ein Wirkungsgrad von 65% für die Brennkraftmaschine. Voraussetzung ist, daß der Heißgasmaschine und der Dampfma­ schine die gesamte Verlustenergie (1-η₁) zur Verfügung ge­ stellt werden kann. Um dies zu erreichen werden zu kühlende Stellen der Brennkraftmaschine mit Druckräumen 12 umgeben, in die Wasser gepumpt wird. Der entstehende Dampf wird der Dampfmaschine 7 zugeführt. Angestrebt wird ein adiabati­ scher Motor, d. h. daß eine äußere Kühlung entfällt. Die Abgastemperatur T₀₈ soll so klein wie möglich werden.
Bezugszeichenliste
1 Verdichter 1. Stufe (Verbrennungsmaschine)
2 Verdichter 2. Stufe (Verbrennungsmaschine)
3 Expansionsraum 1. Stufe (Verbrennungsmaschine)
4 Expansionsraum 2. Stufe (Verbrennungsmaschine)
5 Expansionsraum (Heißgasmaschine)
6 Verdichter (Heißgasmaschine)
7 Expansionsraum (Dampfmaschine)
8 Pumpe
9 Wärmetauscher (Luft - Abgas)
10 Wärmetauscher (Luft - Arbeitsgas - Heißgasmaschine)
11 Wärmetauscher (Luft - Wasser, Wasserdampf)
12 Druckräume zu kühlender Bauteile
13 Wärmetauscher (verdichtete Luft - Arbeitsgas)
14 Wärmetauscher (verdichtete Luft - Wasser)

Claims (6)

1. Verfahren einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeich­ net, daß die angesaugte Luft in einem oder in mehreren Wär­ metauscher(n) (9, 10, 11) von den Abgasen und/oder vom expan­ dierten Arbeitsgas und/oder von der Wärme kondensierenden Dampfes und/oder von sonstiger Verlustwärme erwärmt wird und anschließend in einem Verdichter (1) verdichtet wird wo­ nach sie in einem Wärmetauscher (13) Arbeitsgas einer Heiß­ gasmaschine erwärmt und/oder in einem Wärmetauscher (14) Was­ ser einer Dampfmaschine (7) verdampft und somit gekühlt wird.
2. Verfahren einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Arbeitsgas und/oder vom Wasser gekühlte verdichtete Luft erster Stufe in einem Verdichter (2) zur zweiten Stufe verdichtet wird, um anschließend der Verbrennung und ein- oder zweistufigen Expansion in den Arbeitsräumen (3) oder (3) und (4) zugeführt zu werden.
3. Verfahren einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das unter Vordruck stehende im Wärmetauscher (10) gekühlte Arbeitsgas der Heißgasmaschine im Verdichter (6) verdichtet wird, wonach es im Wärmetauscher (13) von der verdichteten Luft erhitzt wird ehe es im Arbeits­ raum (5) expandiert und zur Kühlung in den Wärmetauscher (10) gelangt.
4. Verfahren einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser von der Pumpe (8) aus dem Kondensator (11) in den von der verdichteten Luft erwärm­ ten Wärmetauscher (14) gepumpt wird und hier verdampft und daß der Dampf anschließend in dem Arbeitsraum (7) entspannt ehe er in den Kondensator (11) zur Aufwärmung der angesaugten Luft gelangt.
5. Verfahren einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von der Pumpe (8) Wasser aus dem Kondensator (11) in Druckräume (12), die von heißen, zu kühlen­ den Stellen umgeben sind, gepumpt wird, und daß der sich in diesen Druckräumen bildende Dampf dem Arbeitsraum (7) zuge­ führt wird, wo er entspannt und anschließend in den Konden­ sator (11) geschoben wird.
6. Verfahren einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3 und 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der sich im Wärme­ tauscher (14) und/oder in den Druckräumen (12) bildende Dampf dem Arbeitsgas der Heißgasmaschine zugemischt wird und im Arbeitsraum (5) der Heißgasmaschine entspannt von wo er zum Wärmetauscher (10) gelangt, der als Kondensator wirkt.
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GB2503305A (en) * 2012-05-17 2013-12-25 Naji Amin Atalla Heat recovery heat pump system for power plant

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GB2503305B (en) * 2012-05-17 2019-07-17 Amin Atalla Naji High efficiency power generation apparatus, refrigeration/heat pump apparatus, and method and system therefor

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