DE2439796A1

DE2439796A1 - Thermal energy machine unit - uses compressed heated gases to drive single stage rotary piston engine

Info

Publication number: DE2439796A1
Application number: DE2439796A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl Ing Otterpohl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-08-20
Filing date: 1974-08-20
Publication date: 1976-03-04

Abstract

Heat is turned into rotating mechanical energy by continuously burning fuel under optimal conditions and leading the combustion gases to a one stage rotary engine to expand. Air is first compressed (a) to a predetermined pressure and then fed either to an atomic reactor heat exchanger or a combustion chamber (b) to mix with fuel and be burned after which the gases are fed to a one stroke rotary engine (c) at the desired pressure to rotate the eccentrically positioned rotor by completing their expansion. The exhaust gases are then utilised for heat exchange purposes.

Description

FRF INDUNGSBESCSEIBUNG einer "W ä r m e k r a f t - M a s c h i n e n a n 1 a g zur Erzeugung mechanischer und elektrischer Energie.DETERMINATION OF THE DETERMINATION OF A "THERMAL K r a f t - M a s c h i n e n a n 1 a g for generating mechanical and electrical energy.

Die Umwandlung von Wärmeenergie aus fossilen und Kern-Brennstoffen in höherwertige mechanische und elektrische Energie ist nach dem heutigen Stand der Technik mit erheblichen Nachteilen verbunden: - Bei Dampfprozessen kann der größte Teil der Verdampfungstärme^* nicht in mechanische Energie umgewandelt werden und geht als Kühiwasserwärme verloren.The conversion of thermal energy from fossil and nuclear fuels in higher quality mechanical and electrical energy is according to the current state associated with considerable disadvantages of technology: - In steam processes, the Most of the evaporation strengths ^ * cannot be converted into mechanical energy and is lost as cooling water heat.

- Bei der Gasturbine ist der Ausnutzangsgrad der zugeführten Wärme für mechanische Energie gering, weil die bei der Umwandlung verwertbare Abgastemperatur im Vergleich zur Gaseintrittstemperatur sehr hoch liegt.- In the case of the gas turbine, the degree of utilization of the heat supplied is low for mechanical energy because the exhaust gas temperature that can be used during the conversion is very high compared to the gas inlet temperature.

Auch eine Abwärmeverwertung in Zusatzanlagen zur Erzeugung mechanischer Energie nach dem Prinzip des Dampfprozesses verbessert den gesamten thermischen Wirkungsgrad nicht zufriedenstellend. Waste heat recovery in additional systems for generating mechanical Energy based on the principle of the steam process improves the overall thermal Efficiency not satisfactory.

- Bei den jetzigen Verbrennungskraftmaschinen ist die Brennstoffverbrennung wegen der ungünstigen Bedingungen im Verbrennungsraum der Maschine nicht vollständig. Außerdem sind die Abgasverluste (Q4) hoch,weil das adiabatische Ausdehnungsverhaltnis V5 /Vb aus konstruktiven Gründen kleiner ist als das Verdichtungsverhältnis V1/V2. (Siehe hierzu Abbildung 3) außer der unwirtschaftlichen Ausnutzung der Brennstoffenergien haben die bekannten Umwandlungsverfahren slle den Nachteil, daB sie die Umweltverhaltnisse erheblich belasten: Schädliche Abgase verseuchen die Luft und/oder durch Freisetzen großer Warmemengen als Verlustenergie werden die Wärmehaushalte der Flüsse in gefährlicher Weise verändert und/oder es tritt Lärmbelästigung auf.- In the current internal combustion engines is the fuel combustion not completely due to the unfavorable conditions in the combustion chamber of the machine. In addition, the exhaust gas losses (Q4) are high because of the adiabatic expansion ratio For structural reasons, V5 / Vb is smaller than the compression ratio V1 / V2. (See Figure 3) except for the inefficient use of the fuel energies, the known conversion processes all have the disadvantage that they have a significant impact on the environment: contaminate harmful exhaust gases the air and / or by releasing large amounts of heat as lost energy dangerously changes and / or occurs the heat balance of rivers Noise pollution.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die aufgezeigten Mängel zu beseitigen.The invention is based on the object of the identified shortcomings to eliminate.

Das nachstehend beschriebene Verfahren der Energieumsetzung ist erfindungsgemäß geeignet, die oben angeführten Nachteile weitgehend auszuschalten, indem einerseits Brennstoffe in einer Brennkammer unter optimalen Bedingungen kontinuierlich verbrannt werden,und und andererseits die Energien der Arbeitsgase in einer hierfür besonders geeigneten Drehkolben-Arbeitsmaschine bis auf eine kleine Abgasrestwärme in mechanische Energie umgewandelt werden.The method of energy conversion described below is according to the invention suitable to largely eliminate the disadvantages listed above by on the one hand Fuels burned continuously in a combustion chamber under optimal conditions and on the other hand the energies of the working gases in a special for this purpose suitable rotary piston working machine except for a small residual exhaust gas heat in mechanical Energy to be converted.

Wie in Abbildung 1 dargestellt wird Brennstoff zusammen mit verdichteter Luft aus einem Kompressor (A) in einer Brennkammer(B) unter Druck und bei hohen Temperaturen verbrannt. Das verbrannte Gas wird als Arbeitsgas unmittelbar einer Drehkolben-Arbeitsmaschine (C) zugeführt.As shown in Figure 1, fuel is compressed along with Air from a compressor (A) in a combustion chamber (B) under pressure and at high Temperatures burned. The burned gas becomes a working gas immediately Rotary piston working machine (C) supplied.

Gemäß Abbildung 2 kann statt der Brennkammer auch ein geeigneter Wärmetauscher eingesetzt werden, der seine Energie beispielsweise aus einem Kernreaktor bezieht und mit dieser Wärme ein vorher bereits verdichtetes Arbeitsgas aufheizt. Zur weiteren Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades ist es sinnvoll, das Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreislauf zu fahren.According to Figure 2, a suitable heat exchanger can be used instead of the combustion chamber which draws its energy from a nuclear reactor, for example and with this heat a previously compressed working gas is used. To further To improve the thermal efficiency, it makes sense to use the working gas in one to drive closed circuit.

Abbildung 3 zeigt das Arbeitsdiagramm für eine Warmekraft-Maschinenanlage mit Brennkammer (Fläche zwischen den Punkten 1,2,b,cif4) zusammen mit einem Arbeitsdiagramm für eine Verbrennungskraftmaschine (Fläche zwischen den Punkten 1,2,b,5). die zwischen den Punkten 1,2,3,4 liegende Fläche stellt die adiabatische Verdichtungsarbeit eines Kompressors dar. Sie hat den Wert in kcal/m3 Die auf den Druck P2.verdichtete Luft wird mit einem Energie aufwand Q2 2 AL2 = AF2 (V2 - Va) [kcal/m3j in eine Brennkammer gedrückt und auf die gewünschte Endtemperatur Db erhitzt. Bei konstantem Druck ändert sich hierbei das Volumen auf und die zugeführte Wärme beträgt Q3 = k AP2 (Vb - V2) in kcal/m3 k-1 Die verdichteten und erhitzten Verbrennungsgase werden einer nach dem Eintaktverfahren arbeitenden Drehkolben-Maschine zugeleitet, Der konstruktive Aufbau dieser Maschine und ihre Arbeitsweise sowie der Umstand, daß die Arbeitsgase von außen der Maschine zugeführt werden,ermöglichen es, sowohl die kinetische als auch die innere Energie des Gases weitgehend in mechanische Arbeit umzusetzen, indem das erhitzte und verdichtete Gas die Drehkolben-Maschine zunächst durch Einströmen in den exzentrisch liegenden Arbeitsraum der Maschine und anschließend - nachdem ein vorgezebenes Volumen eingeströmt ist - durch adiabatische Ausdehnung antreibt. Um die bei der Rotation des Kolbens am Schieber auftretenden,wechselnden Reibungs- und Zentrifugalkrafte besser beherrschen zu können, wird der Schieber zwangsgeführt.Figure 3 shows the working diagram for a thermal power plant with a combustion chamber (area between points 1, 2, b, cif4) together with a working diagram for an internal combustion engine (area between points 1, 2, b, 5). the area between points 1, 2, 3, 4 represents the adiabatic compression work of a compressor. It has the value in kcal / m3 The air compressed to the pressure P2. is pressed into a combustion chamber with an energy expenditure Q2 2 AL2 = AF2 (V2 - Va) [kcal / m3j and heated to the desired final temperature Db. At constant pressure, the volume changes and the heat supplied is Q3 = k AP2 (Vb - V2) in kcal / m3 k-1 The compressed and heated combustion gases are fed to a rotary piston engine that works according to the single-stroke process the working gases are supplied from the outside of the machine, make it possible to convert both the kinetic and the internal energy of the gas largely into mechanical work, as the heated and compressed gas first flows into the rotary piston machine by flowing into the eccentric working space of the machine and then - after a predetermined volume has flown in - drives through adiabatic expansion. In order to be able to better control the changing frictional and centrifugal forces that occur when the piston rotates on the slide, the slide is positively driven.

In der Maschine werden umgesetzt in kpm/m3 Der indizierte Wirkungsgrad dieses Prozesses ist Für die Abgase gilt Die Durchrechnung eines Prozesses ohne Abgasverwertung mit den Zustandswerten für zugeführte Luft: P1- 1 ata; t1= 2o0C; V1-4n43 m3 0 für Arbeitsgase: Pb-20 ata; tb=1050°C; Vb-1 m3 für Abgase: Pc - 1 ata; tc 29o0Ci V0-8,5 m3 ergibt einen indizierten Wirkungsgrad von ca. 82,5 * Der errechnete indizierte Wirkungsgrad dieses Prozesses liegt wesentlich höher als alle bisher für die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie erzielten Wirkungsgrade. Bei Rückführung der Abgas energie in den Kreisprozess wird er noch günstiger.In the machine are implemented in kpm / m3 The indicated efficiency of this process is The following applies to the exhaust gases The calculation of a process without waste gas utilization with the status values for the air supplied: P1- 1 ata; t1 = 2o0C; V1-4n43 m3 0 for working gases: Pb-20 ata; tb = 1050 ° C; Vb-1 m3 for exhaust gases: Pc - 1 ata; tc 29o0Ci V0-8.5 m3 results in an indexed efficiency of approx. 82.5 * The calculated indexed efficiency of this process is significantly higher than all previously achieved for the conversion of thermal energy into mechanical energy. If the exhaust gas energy is fed back into the cycle, it becomes even cheaper.

Zur Veranschaulichung des Leistungsgewinnes einer Wärmekraft-Maschinenanlage gegenüber einer Verbrennungskraftmaschine ist in das Arbeitsdiagramm der Abbildung 3 der Endpunkt 5 der adiabatischen Ausdehnung im Verbrennungsraum eingezeichnet. Im Vergleich zur Energieumsetzung einer Verbrennungskraftmaschine bisheriger Art (Fläche zwischen den Punkten 1,2 ,b,5) ist die Warmekraft-Maschinenanlage bei gleicher Energiezufuhr um die bessere adiabatische Energieausnutzung (Fläche zwischen den Punkten 4,5,c,d) günstiger, Weitere Vorteile der Wärmekraft-Maschinenanlage: - Die Anlagenteile Kompressor, Brennkammer und Wärmetauscher sind Stand der Technik, - Durch optimale Verbrennung der Brennstoffe in der kontinuierlich arbeitenden Brennkammer wird der prozentuale Anteil der zschädlichen Gase herabgesetzt. Die Lärmbildung ist geringer.To illustrate the gain in performance of a thermal power plant compared to an internal combustion engine is in the working diagram of the figure 3 shows the end point 5 of the adiabatic expansion in the combustion chamber. Compared to the energy conversion of an internal combustion engine of the previous type (Area between points 1, 2, b, 5) is the thermal power machine system with the same Energy supply for better adiabatic energy utilization (area between the Points 4,5, c, d) cheaper, Further advantages of the thermal power plant: - The System components compressor, combustion chamber and heat exchanger are state of the art, Through optimal combustion of the fuels in the continuously working combustion chamber the percentage of harmful gases is reduced. The noise is less.

- Das spezifische Leistungsgewicht, das spezifische Leistungsvolumen sowie die spezifischen Anlagenkosten liegen niedriger als bei den herkömmlichen Anlagen.- The specific power to weight ratio, the specific power volume as well as the specific system costs are lower than with conventional ones Investments.

Zum Beispiel wird für eine Leistung von loo Ps bei einem Verdichtungsverhältnis P2/P1=20 und einer Drehzahl n=5000 UpM ein Arbeitsvolumen von ca.1000 cm3benötigt. Diese Anlage käme für den Antrieb von Personenkraftfahrzeugen in Frage. For example, for an output of 100 Ps at a compression ratio P2 / P1 = 20 and a speed of n = 5000 rpm a working volume of about 1000 cm3 is required. This system could be used to drive passenger vehicles.

- Auch groBe Leistungseinheiten können ohne besondere Schwierigkeiten gebaut und betrieben werden.- Even large power units can do this without any particular difficulty be built and operated.

Für eine 1ooL-Maschine ist ein,Arbeitszylinder-Volumen bei n3000 UpM von etwa 280 ltr erforderlich. For a 1ooL machine, a working cylinder volume is n3000 RPM of about 280 liters required.

Der Schutzbereich des Patentes soll sich auf folgende Kriterien beschränken: 1. Auf das Verfahren, bei der Energieumwandlung von Wärme in mechanische Arbeit ein Arbeitsgas zu verwenden, welches kontinuierlich und außerhalb der Arbeitsmaschine in den gewunschten Zustand nach Druck und Temperatur gebracht und anschliessend einer Drehkolben-Maschine zugeführt wird.(An8pruch 1-3) 2. Auf die Konzeption einer Drehkolben-Maschine, die geeignet ist, die Energie eines von außen zugeführten Arbeit'sgases mit gutem thermischen und mechanischen Wirkungsgrad in mechanische Arbeit umzusetzen. (Anspruch 4) Patentanspriiche Wärmekraft-Maschinenanlage zur Umwandlung von Wärme energie in rotierende mechanische Energie, bestehend aus einer Eompressoranlage zur -Verdichtung eines Arbeitsgases, einer Anlage zur Aufheizung des verdichteten Arbeitsgases sowie einer Drehkolben-Arbeitsmaschi ne, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arbeitsgas zunächst in einem getrennten Anlagenteil kontinuierlich auf eine vorgegebene Temperatur bei vorgegebenem Druck erhitzt und anschließend unmittelbar einer nach dem Eint a ktverf ahren arbeitenden Drehkolben-Maschine zugeleitet wird, wobei in der Maschine sowohl die kinetische Energie als auch die innere Energie des Gases weitgehend in mechanische Energie umgewandelt wid.The scope of protection of the patent should be limited to the following criteria: 1. On the process of converting energy from heat into mechanical work to use a working gas which is continuous and outside the working machine brought to the desired state in terms of pressure and temperature and then a rotary piston machine is supplied. (Claims 1-3) 2. On the conception of a Rotary piston machine that is capable of absorbing the energy of an externally supplied working gas to convert into mechanical work with good thermal and mechanical efficiency. (Claim 4) Patent claims thermal power plant for converting heat energy into rotating mechanical energy, consisting of an Eompressoranlage for compressing a working gas, a system for heating the compressed Working gas and a rotary piston Arbeitsmaschi ne, characterized in that a working gas initially in a separate part of the system continuously to a heated to a given temperature at a given pressure and then immediately is fed to a rotary piston machine operating according to the single-action process, where in the machine both the kinetic energy and the internal energy of the gas is largely converted into mechanical energy.

Claims

2. Thermal power plant according to claim 1, characterized in that that a suitable working gas is compressed and heated (e.g. in a heat exchanger a nuclear reactor plant) and in a closed circuit of the rotary piston working machine is fed and then returned to the heat exchanger.

3. thermal power plant according to claim 1, characterized

records that combustion air is compressed, in a combustion chamber By burning gaseous and / or liquid and / or dusty fuels is continuously heated to a predetermined temperature and the combustion gases be supplied as working gases of a rotary piston Arbeitsma, machine.

4. Thermal power plant according to claims 1-3, characterized in that that the rotary piston drive machine due to its special construction and Working is capable of both kinetic and internal energy of a supplied working gas except for a small residual energy in the exhaust gas with good mechanical efficiency without extreme torque fluctuations in mechanical energy implement by the compressed and heated working gas the rotary piston machine initially by flowing into the eccentric working area of the machine and then - after a predetermined volume has flowed in - by adiabatic Drives expansion.