DE2263966A1

DE2263966A1 - Antriebs- oder kraftmaschine

Info

Publication number: DE2263966A1
Application number: DE2263966A
Authority: DE
Inventors: Rex C Conner; Louis L Ferstandig
Original assignee: HALOCARBON PROD CORP
Current assignee: HALOCARBON PROD CORP
Priority date: 1972-01-04
Filing date: 1972-12-29
Publication date: 1973-07-12
Also published as: BE792268A; JPS4873631A; FR2167149A5; GB1344055A; IT970232B; US3707843A

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWAL^o β 3 Q β β DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER

DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH , Dipl. Ing.Selting

Köln, den 28.12.1972 AvK/Ax/Bt

Halocarbon Products Corporation,

82 Burlews Court, Hackensack, New Jersey O76OI ,USA

Antriebs- oder Kraftmaschine

Die Erfindung betrifft Antriebsmaschinen oder Kraftmaschinen, die Wärme durch Ausdehnung und Kondensation von erhitztem Druckdampf in Kraft umwandeln.

übliche Innenverbrennungsmotoren arbeiten nach dem Prinzip des explosiven Verbrauchs eines Brennstoffs in einem Zylinder, wobei ein Kolben bewegt wird, der seinerseits eine Welle dreht, die häufig ein Fahrzeug antreibt. Auf Grund der unterschiedlichen Explosionsbedingungen als Folge von Änderungen der Belastung, z.B. während des Beschleunigens, des Leerlaufs oder des normalen Fährbetriebes* weicht die Verbrennung häufig vom Idealzustand ab, wobei der Brennstoff unvollständig verbraucht wird, so daß unvollständig oxydierte Substanzen in die Atmosphäre ausgestoßen werden, die hierdurch verunreinigt wird.

Ein Dampferzeuger, der eine Expansionsmaschine, z.B. eine Turbine oder eine Kolbenmaschine, antreibt, in der unter Druck stehender Wasserdampf als Arbeitsmedium in einer Kraftmaschine verwendet wird, die gewöhnlich als Außen-

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verbrennungcmaschine bezeichnet wird, ist eehr wirksam in Bezug auf die Verbrennung; des Kraftstoffs, d.h. der Brennstoff wird im wesentlichen vollständig verbraucht. Außerdem ist nie verhältnismäßig flexibel in der Art der Brennstoffe, die verwendet werden können. Bei Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium sind jedoch sehr hohe Temperaturen und Drücke erforderlich, um annehmbare Wirkungsgrade für die Umwandlung der Wärmeenergie in Arbeit zu erreichen, und dies erfordert wiederum besondere Sicherheitsmaßnahmen und Sonderausrüstungen einschließlich teurer Legierungen. Außerdem werden übliche Schmiermittel und Dichtungsmaterialien bei Dampftemporaturen oberhalb von ⁰C zerstört.

In dem Bemühen, die mit Wasserdampf verbundenen Probleme zu lösen, wurden andere Arbeitsmedien vorgeschlagen, jedoch bringen diese wiederum ihre eigenen Probleme mit sich, z.B. eine Zersetzung des Mediums bei längerem Erhitzen, chemische Reaktion mit metallischen Werkstoffen und mit üblichen Dichtungsmaterialien, begrenzter Y/irkungsgrad, Giftigkeit und Entflammbarkeit.

Wenn die Arbeitsrrcedien mit den in Maschinen verwendeten Schmiermitteln nicht mischbar sind, ist es notwendig, öl und Wasser weitgehend getrennt zu halten, um eine Beschichtung von Kondensatorrohren ::u verhindern. Überzüge, die sich in Kondensator- oder Regeneratorrohren ansammeln, beeinträchtigen den Wärmeübergang, so daß Einheiten gebaut werden müssen, die größer s:Lnd, als dies ftlr den WMrmellber·- gang vom Arbeitsmedium zum Kühlmedium notwendig ist.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, neue Arbeitsmedien in Antriebs- und Kraftmaschinen verfügbar zu machen, die mit äußerer Verbrennung arbeiten, um Wärmeenergie in das Medium zur Umwandlung in Antriebskraft einzuführen.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein sicheres Arbeltsmedium fUr Dampfkolbenmaschinen, z.B. die Rankine-Dnmpf-

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kolbenmaschine für Fahrzeuge, Boote, Schiffe oder andere Krafterzeugungsanlagen, die von einer wirksamen, billigen, sicheren Antriebsmaschine mit geringer Emission angetrieben werden, die mit den verschiedensten leicht verfügbaren Brennstoffen wie Heizöl, Dieselöl, Leuchtpetroleum, Benzin, Erdgas, Propan, Buten, Alkohol, öl u.dergl. oder mit festen Brennstoffen unter weitgehender Ausschaltung der Luftverunreinigung betrieben werden können. Das Arbeitsmedium gemäß der Erfindung ist mit üblichen Hochtemperatur-Schmiermitteln mischbar und reagiert mit ihnen chemisch nicht bei allen Druck- und Temperaturbedingungen.

Die Erfindung ist auf eine übliche Kraftmaschine, z.B. eine Rankine-Dampfkolbenmaschine gerichtet, die mechanische Arbeit leistet, wobei jedoch als Arbeitsmedium Verbindungen der. Formel

(CFJ₀

in der X für CH-, oder CF-, und η für O oder 1 steht, verwendet werden. Vorzugsweise stehen keine zwei Substituenten am Benzolring in Nachbarstellung, gleichgültig, ob η für Ό oder 1 steht. Vorzugsweise hat η den Wert O. In diesem Fall ist Bis(trifluormethyl)benzol, worin die TrifluormethyIreste in m- oder p-Stellung stehen, die bevorzugte Verbindung.

Das Arbeitsmedium kann aus einzelnen reinen Isomeren, z.B. 1,3-Bis(trifluormethyl)benzol, oder aus Gemischen von Isomeren bestehen, oder ihm können in dem Bemühen, die erforderliche Menge an Trifluormethylbenzol zu verringern, andere Substanzen wie Kohlenwasserstoffe oder fluorierte Kohlenwasserstoffe zugemischt werden.

Es ist besonders überraschend, daß die Trifluormethylbenzole sich für den Einsatz über lange Zeiträume bei hohen Temperaturen von beispielsweise etwa 260° bis J571°C eignen. Dies

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ist aus folgendem ersichtlich: Benzol selbst hat zwar annehmbare physikalische Eigenschaften für die Verwendung als Arbeitsmedium, jedoch ist es äußerst leicht entflammbar, so daß es aus diesem Grunde unbrauchbar ist. Seine Beständigkeit bei Langzeiteinwirkung hoher Temperaturen ist Jedoch sehr gut. Durch Einführung eines Trifluormethylrestes an den Ring hat zwar das erhaltene Trifluormethylbenzol eine geringere Entflammbarkeit, jedoch wird es in verhältnismäßig kurzer Zeit stark zersetzt, wenn es bei 399°C gehalten wird. Überraschenderweise wird durch Verdoppelung der Trifluormethylfunktion die Stabilität nicht schlechter, sondern ganz enorm verbessert.

Die neuen Arbeitsmedien sind besonders vorteilhaft in Turbinen und ergeben im Vergleich zu anderen Arbeitsmedien im allgemeinen eine höhere Leistung bei einer bestimmten Drehzahl, oder sie ermöglichen es, die Turbine für eine gegebene Leistung bei niedrigerer Drehzahl zu betreiben.

Die Antriebsmaschine kann für Automobile, Boote und außer für die Erzeugung von Bewegungskraft auch für andere Zwecke, z.B. in Stromerzeugern und kraftbetriebenen Maschinen, d.h. überall dort verwendet werden, wo solche anderen Systeme oder Innenverbrennungsmaschinen bisher verwendet worden sind. Die Treibkraft kann, falls vorhanden, eine beliebige Welle, insbesondere die Antriebswelle von Fahrzeugen, z.B. Automobilen, antreiben.

Die Bis-(trifluormethyl)benzole sind niedrig schmelzend und hochsiedend. Dies ist in Maschinen erwünscht, die, ohne in Betrieb zu sein, in den verschiedensten Klimazonen stehen müssen. Sie wirken nicht korrodierend auf die gewöhnlichen Metalle, die zum Bau von Maschinen und Kühlsystemen, z.B. Automobilkühlern, verwendet werden, z.B. Kohlenstoffstahl, Kupfer und Aluminium, auch wenn hohe Temperaturen lange Zeit zur Einwirkung kommen. Dies ergibt sich eindeutig aus der folgenden Tabelle.

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Arbe itsmedium:

Metall	Temgeratur
Kohlens toffstahl	316
	399
Kupfer	177
Aluminium	177
nichtrostender
Stahl 316	371
Stahl A-335P-5	371

Zeit Bemerkungen zum Std. Ausgangsmaterial

1052 keine Zersetzung

281,3 0,6$ Zersetzung

864 keine Zersetzung

864

66

66 " "

Das neue Arbeitsmedium ist mit üblichen Hochtemperatur-Schmiermitteln mischbar, aber ihnen gegenüber verhältnismäßig inert. Als Folge löst s& ständig etwaige Überzüge des Schmiermittels, die sich im Boiler, auf dem Drosselventil, im Expander oder in den Kühlern bilden können, auf. Dies ist besonders vorteilhaft bei hochtourigen Turbinen, wo die Spaltweiten entscheidend wichtig sind. In einem solchen System brauchen nur übermäßig starke Ansammlungen von Schmiermittel im Arbeitsmedium abgetrennt zu werden. Dies kann mit Entfeuchtern, Zyklonabscheidern u.dgl. geschehen, die nur eine teilweise Abtrennung vornehmen und an einer beliebigen Stelle im System angeordnet sind, an der die Temperatur des verdampften Mediums unter dem Taupunkt des Schmiermittels und über den Taupunkt des Arbeitsmediums liegt.

Beispiel

1,3-Bis (tr if luorme thyl) benzol einer Reinheit von mehr als kann als Arbeitsmedium in einer Turbine dienen, wobei

es in einen Boiler bei 113°C eintritt und als Dampf bei 260 C und 19 kg/cm austritt. Der Dampf wird unter diesem Druck auf 3^3°0 überhitzt und dann durch die Schaufeln

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einer Turbine entspannt, deren Welle veranlasst wird, sich zu drehen und Arbeit zu leisten. Der entspannte Dampf strömt im noch heißen Zustand durch einen Regenerator, wo er in Wärmeaustausch mit flüssigem Arbeitsmedium tritt. Hierdurch werden die Dämpfe gekühlt. Bei weiterer Kühlung kondensieren die Dämpfe, wobei sie auf 114 C und 1,03 kg/cm zurückgehen. An diesem Punkt treten sie in einen Sammelbehälter ein, aus dem die Flüssigkeit zum Boiler gepumpt wird. Auf dem Wege dorthin tritt sie in Wärmeaustausch mit dem oben genannten entspannten, noch heißen Dampf.

Im wesentlichen gleiche Ergebnisse werden erhalten, wenn die Expansion des Gases gegen einen hin- und hergehenden Kolben stattfindet, der verschiebbar zwischen zwei Stellungen angeordnet ist. Hierbei veranlaßt die Expansion den Kolben, sich in seine zweite Stellung zu bewegen und hierbei eine Kurbelwelle zu drehen, die ihrerseits eine Arbeitsmaschine antreibt. Ebenso kann die Expansion zum Drehen einer Schnecke ausgenutzt werden.

Anstelle von m-Bis(Trifluormethyl)benzol kann man das p-Isomere oder Gemische der Isomeren verwenden, wobei im wesentlichen die gleichen Ergebnisse erhalten werden. Solche Gemische sind im allgemeinen billiger. Gemische mit Benzol, Toluol o.dgl. sind ebenfalls befriedigende Arbeitsmedien ,ι Jedoch machen die neuen Verbindungen vorzugsweise einen größeren Anteil des Arbeitsmediums aus. Weitere Verbindungen, die für die Zwecke der Erfindung verwendet werden können, sind beispielsweise 1,3,5-TrIs(trifluormethyl)benzol und 1,3-Bis(trifluormethyl)-5-methylbenzol.

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Claims

Patentansprüche

.y Antriebs- oder Kraftmaschine, in der Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt wird, mit einem geschlossenen Kreislauf, der einen Behälter mit einem Arbeitsmedium enthält, Mitteln zum Verdampfen und Erhitzen des Mediums, einem Expansionsteil, der Wärme in mechanische Arbeit umwandelt, einem Kondensator und einer Pumpe zur Rückführung des Kondensats in den Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium eine Verbindung der Formel

(CF )₂

enthält, in der X für CH, oder CF^ und η für 0 oder 1 steht.
2. Antriebs- oder Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium aus einem Gemisch von Verbindungen der in Anspruch 1 genannten allgemeinen Formel besteht.
3. Antriebs- oder Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium aus einem Gemisch besteht, das zu einem größeren Teil aus einer oder mehreren Verbindungen der in Anspruch 1 genannten Formel besteht.
4. Antriebs- oder Kraftmaschine nach Anspruch 1 bis j5> dadurch gekennzeichnet, daß als Expansionsteil eine Turbine, Kolbenmaschine oder Sohnecke vorhanden ist.
5· Verwendung von Antriebs- oder Kraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 4 zum Antrieb von Fahrzeugen.

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6. Verfahren zur Umwandlung von Wärme in Bewegungskraft, wobei man einen Teil des Arbeitsmediums aus einem Behälter verdampft und dann eine Expansion des Dampfes des Arbeitsmediums bewirkt und hierdurch einen Maschinenteil bewegt, den Dampf kondensiert und in den Behälter zurückführt, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Arbeitsmedium nach Anspruch 1 verwendet und das Arbeitsmedium auf eine Temperatur von etwa 260° bis 371°C erhitzt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ! man als Arbeitsmedium ein Gemisch von Verbindungen der in Anspruch 1 genannten allgemeinen Formel verwendet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet»,

nan als Arbeitsmedium ein Gemisch verwendet, das^zu einem größeren Teil aus einer oder mehreren Verbindungen der in Anspruch 1 genannten allgemeinen Formel bestebfc
9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsteil aus einer Turbine, einer Kolbenmaschine oder einer Schnecke besteht.

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ORtGiNAL INSPECTED