DE2750925C2

DE2750925C2 - Verfahren zur Gewinnung mechanischer Arbeit in einem Wärmekraftmotor und Motor zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2750925C2
Application number: DE19772750925
Authority: DE
Inventors: Jan Viktor Västra Frölunda Abom
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-11-15
Filing date: 1977-11-15
Publication date: 1982-09-16
Also published as: DE2750925A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung mechanischer Arbeit in einem Wärmekraftmotor, bei dem einem komprimierten Gas Dampf zugesetzt wird, dessen «-Wert niedriger ist als derjenige des Gases und das Gas-Dampfgemisch expandiert wird, wobei der Dampf kondensiert und einen Motor zur Durchführung des Verfahrens.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art besteht das Gas aus Druckluft dem Wasserdampf zugesetzt wird. Hierbei findet eine Tßmperaturerhöhung von etwa 100⁰C und eine Druckerhöhung von etwa 40% gegenüber den entsprechenden Werten der Druckluft vor dem Zusetzen des Wasserdampfes statt Nach dem Einspritzen des Wasserdampfes findet eine Expansion statt Am Ende der Expansion, bei welcher ein Kondensieren des Dampfes stattfindet, Hegt eine Endtemperatur vor, welche etwa gleich der Temperatur der Druckluft vor dem Einspritzen des Dampfes ist

Dieses Verfahren ist unwirtschaftlich. Der κ-Wert von Luft, d< h. das Verhältnis der spezifischen Wärme c_p bei konstantem Drück zur spezifischen Wärme c_r bei konstantem Volumen, beträgt etwa i,4, derjenige χ

Wasserdampf etwa 5.3. Die Wärme, die hierdurch von dem kondensierenden Wasserdampf auf die Druckluft übergeht ist daher relativ gering. Außerdem läuft die Expansion nicht optimal ab, so daß der thermische Wirkungsgrad relativ schlecht ist

Es besteht die Aufgabe, dieses Verfahren so zu verbessern, daß eine wesentliche Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads stattfindet Der Kreisprozeß soll nierbei annähernd wie der Ackeret-Keller-Prozeß ablaufen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Das Edelgas weist einen κ-Wert von 1,66 auf. Er ist

v5 also höher als derjenige von Wasserdampf. Wird anstelle von Wasserdampf Zink- oder Cadmiumdampf verwendet ergeben sich noch bessere Ergebnisse, da der κ-Wert dieser Dämpfe bei etwa 1 liegt

Ein nach dem Verfahren betriebener Motor kann bei mäßigen Drücken einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 75% aufweisen, d. h. etwa V₄ der zugeführten Wärme werden theoretisch ir, mechanische Arbe;t umgewandelt. Dies ist mit den Sterling-, Diesel- und Dampfprozessen in Vergleich zu setzen, die bei Anwendung des Carnot-Prozesses einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 37% ergeben.

Das Verfahren ist in erster Linie zur Ausübung in einem Kompressions- und Expansionsmotor vorgesehen, bei welchem der Dampf nach der Kompressionsphase, jedoch vor oder während der Expansionsphase zugeführt wird. Pie Kompression des Gases im Motor erfolgt hierbei bevorzugt in zwei Schritten, wobei der erste Schritt im wesentlichen isothermisch und der letztere Schritt im wesentlichen isentropisch abläuft Auch die Expansion des Gases im Motor erfolgt bevorzugt in zwei Schritten, wobei der erste Schritt im wesentlichen isothermisch und der letztere Schritt im wesentlichen isentropisch abläuft und hier die Kondensation des Dampfes stattfindet

Der Motor zur Durchführung >s Verfahrens weist einen Isothermkompressor, an den eine Kühlwassereinspritzvorrichtung angeschlossen ist einen Isentropkompressor, eine Expansionsmaschine, an die ein Dampferzeuger angeschlossen ist, und eine weitere Expansionsmaschine mit Flüssigkeitsabscheider für den kondensierten Dampf auf. wobei die Kompressoren und Expansionsmaschinen einen geschlossenen Gaskreislauf bilden.

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen

so dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 den thermodynamischen Prozeß.
F i g. 2 ein schematisches Bild des Motors zur Durchführung des Verfahrens.

Bei dem in F i g. I dargestellten Prozeß wird ein Edelgas, z. B. Argon als Arbeitsmedium im Wärmekraftmotor verwendet wobei der x-Wert des Edelgases etwa gleich 1.66 ist Dem Edelgas wird Wasserdampf zugesetzt dessen κ-Wert etwa gleich 130 ist Da der Wasserdampf also einen niedrigeren «Wert hat als das Edelgas, wird dem Edelgas die Kondensationswärme

des Wasserdampfes die der Dampfbildungswärme entspricht bei der Expansion des Edelgases zugeführt

Die isothermische Kompression des Edelgases findet

zwischen 1—2 statt Die lsolhermische Kompression wird durch Einspritzen von Kühlwasser ermöglicht, wodurch Wärme abgeleitet wird Zwischen 2—3 erfolgt isentröpische (ädiäbäiische) kompression des Edelga-

ses. Zwischen 3—4 wird Wasserdampf in das Edelgas eingespritzt Hier nimmt also die Wärmezufuhr ihren Anfang und gleichzeitig wird die Expansion eingeleitet. Zwischen 4—1 setzt sich die Expansion fort und gleichzeitig wird der Wasserdampf kondensiert, wobei praktisch sämtlicher Dampf am Punkt 1 in Flüssigkeit kondensiert ist Es wird Dicht mehr Wasserdampf eingespritzt als während der Expansion kondensiert. Bei der Kondensation des V/asserdampfes wird dem Edelgas die Kpr.densationswärme zugeführt.

Der von der Fläche 3,4a,4b, 4c, 4rfund 4edargestellte Bereich ist der Arbeitsbereich bei konstantem Dampfdruck.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Druck an dem mit 1 bezeichneten Punkt 1 Bar, an dem mit 2 bezeichneten Punkt 6 Bar und an dem mit 3 bezeichneten Punkt 100 Bar.

Der bei 100 Bar hinzugesetzte Dampf soll vorzugsweise auf etwa 800⁰C überhitzt sein, wobei dann der thermische Wirkungsgrad etwa 75% beträgt

Der in F i g. 2 schematisch gezeigte Motor ist mit dem Isothermkompressor !1 ausgepustet, in den Kühlwasser während der Kompression eingespritzt wird, hierdurch wird Wärme abgeleitet Das Gas vom Isothermkompressor 11 wird durch einen Flüssigkeitsabscheider 12 geleitet, in welchem das Gas von Flüssigkeitstropfen befreit wird. 13 bezeichnet einen Gegenstromwärmetustauscher, wo die von der Isothermkompression erhaltene Wärme an die Umgebung abgeführt wird. Die Eintrittsleitung des Wärmeaustauschers 13 ist mit 14 und dessen Austrittsleitung mit 15 bezeichnet

Das somit von Flüssigkeitstropfen befreite Gas wird in den Isentropkompressor 16 geführt der ein Kolben-, Lamellen- oder Turbokompressor sein kann.

Zwischen dem Isentropkompressor 16 und der Expansionsmaschine 17 ist ein Gas-Dampf-Mischer 18 vorgesehen. Alternativ kann der Dampf auch in der Expansionsmaschine 17 mit dem Gas gemischt werden.

19 bezeichnet eine weitere Expansionsmaschine. Die

Expansionsmaschine 19 ist an einen Flüssigkeitsabscheider 20 für das Kondensat angeschlossen, das von der Kondensatpumpe 21 zum Dampfkessel 22 mit Überhitzer gepumpt wird. Auch zwischen den Expansionsmaschinen 17 und 19 sollte ein Flüssigkeitsabscheider 20 mit Pumpe 21 zum Pumpen des Kondensats in den Dampfkessel 22 vorgesehen sein.

23 bezeichnet eine zum Isothermkompressor 11 führende Flüssigkeitsleitung, in weiche eine Flüssigkeitseinspritzpumpe 24 zwischengeschaltet ist und die in einer Flüssigkeitseinspritzdüse 25 mündet Die Düse 25 ist vorzugsweise an dem nach unten gekehrten Kolben des Kompressors 11 befestigt welcher sich unter der Kurbelwelle befindet, damit die Flüssigkeit leicht aus dem Kompressor 11 abfließen kann.

Sollte nicht sämtliches Kondensat aus dem Gas im Abscheider 20 abgeschieden werden, so wird es im Isothermkompressor 11 aus dem Ga' abgeschieden.

Der Schritt zwischen i—2 in Fig.! findet im Isothermkompressor 11, der Schritt zwischen 2—3 im Isentropkompressor 16, der Schritt zwischen 3—4 in der Expansionsmaschine 17 und der Schritt zwischen 4—1 in der Fxpansionsmaschine 19 statt

Die oben beschriebene Vorrichtung kann auch zum Entsalzen von Meereswasser verwendet werden. Der Dampfkessel 22 wird dabei mit Salzwasser gespeist Das Süßwasser wird am Wasserabscheider 20 entnommen, wobei das Edelgas, vorzugsweise Argon, aus dem Süßwasser rückgewonnen werden muß. Der Druck im Kessel 22 soll bei der Süßwasserherstellung relativ niedrig gehalten werden, da sich sonst harter Kesselstein im Kessel bildet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Gewinnung mechanischer Arbeit in einem Wärmekraftmotor, bei dem einem komprimierten Gas Dampf zugesetzt wird, dessen κ-Wert niedriger ist als derjenige des Gases und das Gas-Dampfgemisch expandiert wird, wobei der Dampf kondensiert, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas ein Edelgas der Argon und Helium aufweisenden Gruppe verwendet wird und die Expansion im wesentlichen isothermisch abläuft

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hinzugesetzte Dampf überhitzter Wasserdampf ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hinzugesetzte Dampf Zinkdampf oder Kadmiumdampf ist

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bei einem geschlossenen Gaskreisiauf, bei dem sich an die Expansion des Gas-Dampfgemisches mit einer gleichzej'i^en Kondensation des Dampfes eine isothermische Kompression des Gases anschließt, dadurch gekennzeichnet daß die Kompression im letzten Teil im wesentlichen isentropisch abläuft und die Expansion in ihrem letzten Teil in eine im wesentlichen isentropische Expansion übergeht bei der die Kondensation stattficdet

5. Motor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 unter Verwendung eines Isothermkompressors, an den eine Kühlwassereinspritzvorrichtung angeschlossen ist und einer Expansionsmaschine, an weL.ie ein Dampferzeuger angeschlossen ist wobei das Gas zwifchen I")thermkompressor und Expansionsmaschine in einem geschlossenen Kreislauf geführt ist dadurch gekennzeichnet daß zwischen Isothermkompressor (11) und der einen Expansionsmaschine (17) ein Isentropkompressor (16) angeordnet ist und der einen Expansionsmaschine (17) eine weitere Expansionsmaschine (19) nachgeschaltet ist, die einen Flüssigkeitsabscheider (20) aufweist