DE234036C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JV* 234036 KLASSE 46 d. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 8. Februar 1908 ab.

Es sind bereits Arbeitsverfahren für Kraftmaschinen bekannt geworden, bei denen dem Hauptantriebsmittel ein Ergänzungsfluidum beigefügt wird, und zwar Gas bei Dampfmaschinen und Dampf bei Gasmaschinen.

Gegenstand der Erfindung ist ein für Kraftmaschinen bestimmtes Arbeitsverfahren der genannten Art, bei dem als Ersatz für die sonst üblichen Kreisprozesse, nach denen sich das ίο Arbeitsverfahren abspielt, ein einziger neuer Kreisprozeß zur Anwendung kommt, gemäß welchem das unter Druck stehende Gas bzw. Gasgemisch in dem Kraftzylinder selbst die Kalorien der latenten Verdampfungswärme in Arbeit umsetzt, welche von einer geeigneten Menge Dampf, der während der Expansionsperiode vollständig kondensiert, an das Gas abgegeben werden.

Fig. ι zeigt das aus dem neuen Arbeitsverfahren sich ergebende Diagramm.

Fig. 2 ist eine für die praktische Durchführung des Verfahrens dienende selbsttätig wirkende Regelungsvorrichtung.

Fig. 3 veranschaulicht das Diagramm des normalen Kreisprozesses.

Gemäß der Erfindung verwendet man in der Kraftmaschine, Zylindermaschine, Turbine o. dgl. ein Dampfgasgemisch, dessen Zusammensetzung, Temperatur und Druck so gewählt sind, daß der sich während des Expansionshubes kondensierende Dampf die Kalorien der. latenten Verdampfungswärme an das Gas abgibt, welches dieselben in der Kraftmaschine unmittelbar in Arbeit umsetzt.

Das neue Arbeitsverfahren läßt sich bei beliebigen Gasen und Dämpfen beliebiger Flüssigkeiten anwenden und besteht im wesentlichen darin, daß dem üblichen Hauptantriebsmittel ein Ergänzungsfluidum beigefügt wird, welches zur Herstellung des nötigen Dampfgasgemisches dient. So wird z. B. im Falle einer Dampfmaschine dem Dampf, und zwar bevor derselbe in den Kraftzylinder eingelassen wird, eine geeignete Menge Luft oder eines sonstigen Gases beigefügt, um so die Kondensation des Dampfes im Zylinder herbeizuführen. Handelt es sich dagegen um eine Gas- oder Petroleumkraftmaschine, so setzt man dem heißen Gas die erforderliche Wassermenge zu, um so in den Zylinder ein Dampfgasgemisch einführen zu können, welches die angestrebten Wirkungen erzeugt. Da die spezifische Wärme aller Gase die gleiche ist, so ist es einerlei, was für ein Gas dem Wasser beigemischt wird. Es wird also stets dasjenige Gemisch die beste Nutzwirkung ergeben, welches den Wasserdampf und ein beliebiges Gas in gleichbleibenden Mengenverhältnissen aufweist.

Das so gebildete Gemisch expandiert nach einer neuen Kurve, welche ■ in der Folge der Einfachheit halber Sättigungskurve genannt ist. Diese Kurve liegt zwischen der Adiabate und der Isotherme, jedoch näher an letztere heran, und hat diesen beiden Kurven gegenüber den Vorteil, daß sie sich leicht verwirklichen läßt.

Zur besseren Erläuterung des neuen Arbeits-

Verfahrens soll die Anwendung desselben bei einer Dampfmaschine beschrieben werden:

Es sei z. B. angenommen, in einem Dampfmaschinenzylinder befände sich ein gewisses Volumen von gesättigtem Wasserdampf bei einem Druck von 21 kg und infolgedessen einer Temperatur von 214 ° in Mischung mit Luft, die auf denselben Druck komprimiert und durch ein beliebiges Verfahren auf dieselbe Temperatur gebracht worden ist. Läßt man nun dieses Gemisch von Luft und gesättigtem Wasserdampf expandieren, so kühlt sich die Luft dabei ab. Wäre diese allein in dem Zylinder, so würde sie nach der adiabatischen Kurve A, E₁B (Fig. 1) oder nach einer noch tiefer liegenden Kurve expandieren. Da die Luft sich aber viel rascher abkühlt als der Dampf, so bewirkt sie die Kondensation eines Teiles des letzteren und entnimmt ihm dabei so viel Wärme, als nötig ist, um einen Temperaturausgleich herbeizuführen. Diese der Luft und dem Dampf gemeinschaftliche Temperatur läßt sich leicht bestimmen. Es ist ja bekannt, daß, wenn Dampf kondensiert, die Temperatur sich während der ganzen Kondensationsdauer konstant erhält, wenn der Druck während der gleichen Zeit ebenfalls konstant bleibt. Diese Temperatur bildet aber das Charakteristikum des in Betracht gezogenen Druckes. Hieraus folgt, daß die Luft während der Expansion dem Dampf Wärme entnimmt und dabei die allmähliche Kondensation desselben herbeiführt, so daß während der ganzen Dauer der Expansion und solange überschüssiger, nicht kondensierter Dampf im Gemisch verbleibt, die Temperatur des letzteren in jedem Augenblick gerade diejenige des gesättigten Dampfes bei dem in Betracht gezogenen Drucke ist. In dieser Weise kann auf sehr leichte Art die entsprechende Sättigungskurve A, D verzeichnet werden, welche wegen der Größe der latenten Verdampfüngswärme und infolge der sehr kleinen, durch die Kondensation des Dampfes unter dem Einflusse der Abkühlung der Luft oder der Zylinderwandungen hervorgerufenen Volumenveränderungen des Gasdampfgemisches praktisch leicht verwirklicht werden kann.
Die absolute Sättigungskurve ergibt sich aus der Betrachtung der von der Luft allein eingenommenen Volumina. Die erzielbare relative Kurve läßt sich unter Berücksichtigung der Mengenverhältnisse des Gemisches leicht daraus ableiten. Wenn die so gemischten Dampf- und Luftmengen zu diesem Zwecke passend gewählt sind, so kondensiert der Dampf vollständig während der Expansionsperiode.

Zur Abänderung des neuen Kreisprozesses kann man auch so verfahren, daß der Dampf beim Einströmen in den Kraftzylinder unter dem in Betracht kommenden Druck die Sättigungstemperatur oder auch eine höhere Temperatur besitzt. Auch kann die verwendete Dampf menge gleich, größer oder geringer sein als diejenige, die die Luft innerhalb der vorgesehenen Expansionsgrenzen zu kondensieren vermag. Die Sättigungskurve, welche das Arbeitsverfahren ergibt, liegt zwar nahe an der Isotherme, so daß der sich abspielende Kreisprozeß von dem Carnotschen kaum abweicht. Der Wirkungsgrad bleibt aber natürlich etwas hinter diesem zurück. Um durch Mischkondensation einen Kreisprozeß zu erzielen, der dem Carnotschen möglichst nahe kommt, muß man folgende Bedingungen einhalten :

1. Zunächst das Gas bei konstanter Temperatur komprimieren.

2. Die Kompression adiabatisch vollenden, und zwar von einem gewissen Druck aus, der so zu wählen ist, daß die Temperatur am Ende dieser zweiten Kompression gleich ist derjenigen des unter dem gleichen Druck befindlichen Sattdampfes, worauf man das Gemisch entsprechend der Sättigungskurve so lange expandieren läßt, bis ein Druck erreicht wird, dessen Wert so beschaffen sein muß, daß bei adiabatischer Vollendung der Expansion der Ausgangspunkt wieder erreicht wird.

Der in dieser Weise für das Gas (allein betrachtet) gewonnene Kreisprozeß unterscheidet sich von dem Carnotschen lediglich dadurch, daß während des ersten Teiles der Expansion die Sättigungskurve an Stelle der Isotherme tritt, und wird als Ersatz für die Mischkondensation die Oberflächenkondensation angewendet, so gelangt man, von kleinen Abweichungen abgesehen, zum reinen Carnotschen Kreisprozeß.

Für die Praxis wird der insbesondere in Hinsicht auf die Raumeinnahme der Maschinen vorteilhafteste Kreisprozeß im allgemeinen der sogenannte normale Regenerativkreisprozeß sein, den man erhält, wenn das Gas bis auf den höchsten Druck isothermisch komprimiert, also unter Anwendung eines beliebigen Verfahrens so erhitzt wird, daß es bei konstantem Druck die Temperatur des unter gleichem Druck befindlichen Sattdampfes erreicht, wobei das Dampfvolumen beigefügt wird, welches während der Expansion vollständig kondensiert und diese Expansion des Gemisches bis auf den Anfangssaugdruck des Gases getrieben wird.

Fig. 3 zeigt das Diagramm des normalen Kreisprozesses, wobei angenommen ist, daß der Auspuff in C bei einem Druck erfolgt, der etwas höher liegt als der atmosphärische.

Nimmt man an, daß in C die Gesamtmenge des Dampfes kondensiert ist, und wenn F, C

die adiabatische Kurve darstellt, nach der das Gas ohne den Zusatz des Wasserdampfes expandiert wäre, so stellt die Fläche C, F, C die zusätzliche Arbeit dar, die das Gas allein geliefert hat, und zwar infolge.des Ersatzes der Adiabate durch die Sättigungskurve. Diese Fläche stellt also die Arbeit dar, welche das Gas infolge der durch die Kondensation des Wasserdampfes abgegebenen Wärme geliefert

ίο hat. Da eine Kalorie dem Wert von 425 kgm entspricht, so läßt sich aus dem Werte der Fläche F, C₁C' ohne weiteres in Kilogrammmetern die Kalorienzahl ermitteln, welche nötig ist, um von der Adiabate F, C auf die Sättigungskurve F, C überzugehen. Diese Kalorienzahl ermöglicht die sofortige Bestimmung des Dampfgewichts, dessen Kondensation nötig ist, um diese zusätzliche Fläche F, C, C zu erhalten.

Ist andererseits das in dieser Weise bestimmte Dampfvolumen durch die Linie F-A veranschaulicht und in C vollständig kondensiert, so stellt das kleine Dreieck F, A, C die Arbeit dar, welche von dem Druck des Dampfes geleistet wird, und zwar unabhängig von den Kalorien der latenten Verdampfungswärme, welche dieser Dampf an die Luft abgibt. Diese

• Arbeit kommt noch zu der hinzu, welche das nach dem Regenerativkreisprozeß arbeitende Gas liefert.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Widerstand leistende Kompressionsarbeit durch die Fläche M, Q, L, N dargestellt ist, so' daß die gesamte motorische Arbeit in der Fläche D, Q, N, A₁C ihren Ausdruck findet. Demnach verbleibt an rein verfügbarer Arbeit der durch die Fläche D, M, L, A, C dargestellte Wert.

Fig. 2 zeigt einen selbsttätigen Regler, der aus einem in einem Zylinder beweglichen Kolben besteht. Auf der einen Seite dieses KoI-bens wirkt der Dampf, auf der anderen die Preßluft. Sobald der Druck der Preßluft sinkt, so wird der Kolben durch den Dampf nach links vorgetrieben, wodurch das Anlassen des Kompressors erfolgt. Wenn der Druck der Luft das Bestreben hat, über denjenigen des Dampfes zu steigen, so wird der Kolben nach rechts bewegt und so der Kompressor selbsttätig abgestellt. In dieser Weise wird die Gleichheit des Druckes zwischen der Luft und dem Dampf selbsttätig aufrechterhalten.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Arbeitsverfahren für Kraftmaschinen, bei welchem dem Hauptantriebsmittel ein Ergänzungsfluidum beigefügt wird, und zwar Gas bei Dampfmaschinen und Dampf bei Gasmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß . in die Kraftmaschine ein Gemisch aus Gas und gesättigtem Dampf eingeführt wird, dessen Mengenverhältnisse so bestimmt sind, daß der Dampf während der Expansion teilweise oder vollständig kondensiert, so daß die Wärmeeinheiten der latenten Verdampfungswärme an das Gas abgegeben werden, welches dieselben in der Arbeitsmaschine in Arbeit umsetzt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.