-
Verfahren zur Umformung von thermischer Energie in
-
mechanische Energie und Maschine zur ausführung des Verfahrens Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung von thermischer Energie in mechanische
Energie, indem ein Brennstoff in einem die Verbrennung ermöglichenden Gas, insbesondere
in Luft, verbrannt wird, um dann die Verbrennungsgase in eine Entspannungsmaschine
zu leiten, welche die mechanische Energie liefert. Die Erfindung betrifft insbesondere
den Fall, in welchem das die Verbrennung ermöglichende Gas zunächst in einem Kompressor
verdichtet wird, dessen Antrieb durch die Entspannungsmschine erfolgt.
-
Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Maschine zur usfUhrung
des Verfahrens.
-
In der nachfolgenden Beßchreibung ist unter der Bezeichnung "Entspanner"
die Entspannungsmasohine und unter der Bezeichnung "Kraftmaschine die Gesamtheit
der aus einem Eompressor, einem Entspanner und der Verbrennungekammer bestehenden
Anlage
zu verstehen, wobei wenigstens der Kompreesor von volumetrischem Typ ist.
-
Bei Anlagen dieser Art ist es bekannt, als Kompressor einen umlaufenden
volumetrischen Kompressor zu verwenden, der mit einer Einspritzvorrichtung für eine
Hilfsflüssigkeit versehen ist. Die Hilfsflüssigkeit soll die beweglichen Teile kühlen
und schmieren und für eine Abdichtung sorgen. Bei der Hilfsflüssigkeit kann es sich
um öl oder sogar um den in der Verbrennungskammer verbrannten Brennstoff handeln.
-
Für gewöhnlich wird die Hilfsflüslgkeit von dem verdichteten Gas in
einem Separator abgetrennt, gekühlt und dann wieder in den Kompressor eingeleitet.
-
Der Entspanner kann von dynamischem oder auch volumetrischem Typ sein.
Man kann ihn auf der gleichen Welle wie den Rompressor anordnen oder damit durch
ein UnErsetzungsgetriebe verbinden.
-
Es ist erforderlich, die in dem Kompressor strömende Hilfsflüssigkeit
zu kühlen. Will man gute thermodynamische Wirkungsgrade erzielen, so führt der Kompressionsgrad
nämlich zu Kompressionsendtemperaturen von mehreren 1000 G, die in umlaufenden Kompressoren
nicht tragbar sind. Andererseits bringt eine hohe Kompressortemperatur eine beträchtliche
Erhitzung der angesaugten Luft mit sich, die den Wirkungsgrad des Prozesses herabsetzt.
Nun bedeutet jedoch eine Kühlung durch die Abführung von Kalorien durch die umgebende
Luft oder durch einen äußeren Eühlwasserkreis einen beträchtlichen thermodynamischen
Verlust, der sich ebenfalls auf den Wirkungsgrad des Prozesses ungünstig auswirkt.
-
Die Erfindung hat nun die Aufgabe, ein Verfahren zur Energieumformung
zu schaffen, bei welchem die Kühlung der Hilfsflüssigkeit ohne Verschlechterung
des Wirkungsgrades des
Prozesses erzielt wird.
-
Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Umformung von thermischer in
mechanische Energie arbeitet in der Weise, daß ein Brennstoff in einem die Verbrennung
ermöglichenden Gas verbrannt wird, um die Verbrennungsgase einer die mechanische
Energie abgebenden Entspannungsmaschine zuzuleiten, wobei das die Verbrennung ermöglichende
Gas zuerst in einem von der Entspannungsmaschine angetriebenen volumetrischen Kompressor
verdichtet und wobei in den Kompressor eine die Abdichtung und/oder die Schmierung
bewirkende Hilfsflüssigkeit eingeleitet wird, die ständig gekühlt und von dem verdichteten
Gas abgetrennt wird, um sie erneut dem Kompressor zuzuleiten. Das Verfahren kennzeichnet
sich dadurch, daß die Kühlung der Hilfsflüssigkeit durch Verdampfung von Wasser
erfolgt und daß der erzeugte Wasser dampf dem Strom des die Verbrennung ermöglichenden
verdichteten Gases zugeleitet wird.
-
Man hat nämlich festgestellt, daß in einem ziemlich großen Bereich
von gompressionsgraden von 4 bis 12 die Temperatur, bei der die komprimierten Gase
bei Abgabe der gesamten Kompressionswärme einschließlich derjenigen, die von den
Arbeiteverlusten des Kompressors herriihrt, dampfgesättigt sind, in einem Bereich
von etwa 110 bis 1600 G liegen.
-
Solche Temperaturen sind für die verwendeten Materialien annehmbar.
-
Man hat ferner festgestellt, daß bei brauchbaren Werten des Wirkungsgrades
des Entspanners und der zugehörigen Vorrichtungsteile der ideale Kompressionsgrad
bei etwa 10 liegt.
-
Unter diesen Bedingungen ermöglicht die Kühlung des Eompressors durch
eine Wasserzuführung nach dem Auspuff, die
Kompressionsenergie in
dem verdichteten Gemisch bei gleichzeitigen beträchtlicher Absenkung der Kompressortemperatur
zu behalten.
-
Infolge der Absenkung der Temperatur und infolge der Gegenwart eines
größeren Gewichtes an Wasserdampf in dem zu verbrennenden Gas gelingt es auch, bei
der Verbrennung, wenn sie stöchiometrisch ist, die Bildung von Stickoxyden betrEchtlich
zu vermindern und thermische Probleme im Bereich der Verbrennungskammer und der
Entspannungskammer abzuschwächen.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Auspuffgase,
damit man dem System nicht ständig Wasser zuführen muß, auf eine genügend tiefe
Temperatur gekühlt, damit bei dem Auspuffdruck das in Dampfform enthaltene Wasser
nach der Abscheidung von Tröpfchen im wesentlichen mit dem bei der Verbrennung des
Brennstoffes entstehenden Wasser gewichtsgleich ist.
-
Die Kraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß der Brfindung hat
einen volumetrischen Kompressor zur Verdichtung eines die Verbrennung ermöglichenden
Gases, eine Verbrennungekammer zur Verbrennung eines Brennstoffes in dem verdichteten,
eine Verbrennung ermöglichenden Gas und eine Entspannungsvorrichtung zur Aufnahme
der Verbrennungsgase und zur Erzeugung der mechanischen Energie. Der Kompressor
hat einen Kreislauf für eine der Abdichtung und/oder der Schmierung dienende Hilfaflüssigkeit.
Dabei sind Mittel vorhanden, um die Hilfsflüssigkeit von dem verdichteten Gas zu
trennen, um die Hilfsflüssigkeit in den Kompressor zurUckzubefördern und um die
Hilfsflilssigkeit zu kühlen.
-
Die Kraftmaschine kennzeichnet sich dadurch, daß die Mittel zur kehlung
der Rilfsflüssigkeit Wasser mit der HilfsflUssigkeit
in Berührung
bringen und den gebildeten Wasserdampf in den Strom des verdichteten, die Verbrennung
ermöglichenden Gases einleiten.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
In der Zeichnung sind: Fig. 1 ein Schema, woraus die Stromwege der Luft, der Hilfsflüssigkeit,
der verbrannten Gase und des Wassers nach der Erfindung ersichtlich sind und Fig.
2 ein Schema, das eine Abänderung des Schemas nach Fig. 1 wiedergibt.
-
Gemäß Fig. 1 steht die Saugseite eines KOmpressors 1 mit einer Leitung
2 und einem Luftfilter 3 in Verbindung, während die Ausstoßseite durch eine Leitung
4 mit einer Kammer 5 verbunden ist. Hieran schließt sich ein Abscheidebehälter 6
und eine Verbrennungskammer 7 an, in die durch ein Injektor zerstäubter Brennstoff
eingeleitet und durch eine nicht dargestellte Ztindkerze gezündet wird. Die Verbrennungskammer
7 ist mit der Eingangs seite eines- Entspanners 9 verbunden.
-
In dem Behälter 6 ist eine mit 10 bezeichnete Hilfsflüssigkeit vorhanden.
Bei dieser Flüssigkeit kann es sich um oder sogar um den Brennstoff handeln, wenn
dieser, wie z.B.
-
bei Heizöl, ausreichende Schmiereigenschaften hat.
-
Diese Flüssigkeit wird durch eine Leitung :11 bei 12 dem Kompressor
zugeführt, wodurch in an sich bekannter Weise die Dichtigkeit, die Kühlung und die
Schmierung des Kompressors gesichert werden. Die Flüssigkeit wird mit der verdichteten
Luft ausgestoßen und von dieser in dem Abscheidebehälter 6 durch Schwerkraft und
gegebenenfalls durch
andere bekannte Mittel, wie z.B. durch Zentrifugieren,
durch Filter od.dgl. abgetrennt.
-
In der Kammer 5 findet eine Zerstäubung von Wasser statt, das entweder
von einer äußeren Quelle oder bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Behälter
13 geliefert wird, dessen Aufgabe sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt.
Das Wasser wird durch eine Pumpe 14 eingespritst. Der Kompressor 1 wird durch den
Entspanner 9 angetrieben, und zwar entweder in direkter Kupplung oder unter Zwischenschaltung
eines Untersetzungsgetriebes. Die restliche mechanische Energie wird an der Welle
des einen oder des anderen abgenommen, wo sie für eine nutzbringende Verwendung
zur Verfügung steht.
-
Die Wassereinspritzung hat die Aufgabe zu bewirken, daß das Gemisch
aus verdichteter Luft und Hilfsflüssigkeit das Wasser verdampft und sich dabei abkühlt.
Vollständige thermodynamische Berechnungen ergeben, daß diese Abkühlung ohne wesentlichen
Energieverlust erfolgt, da der durch die Abkühlung eintretende Volumenverlust des
unter konstantem Druck stehenden Gases im wesentlichen durch die Bildung eines etwa
äquivalenten Wasserdampfvolumens kompensiert wird.
-
Von Bedeutung ist, daß dies in erster Linie die Möglichkeit bietet,
die Temperatur der Hilfsflüssigkeit und des Kompressors auf Werten zu halten, welche
die üblichen fiaterialien, und insbesondere Kunststoffe, aushalten. Es hat sich
nämlich gezeigt, daß bei Kompressionsgraden von 4 bis 12, die praktisch in Betracht
kommen, die Gleichgewichtstemperatur, bei der die Kompressionsenergie von den Kalorien
absorbiert wird, die in dem Gas und in dem Wasserdampf in gesättigtem Zustand absorbiert
wird, etwa zwischen 110 ° und 1600 C liegt.
-
Beispielsweise beträgt bei einem Kompressor mit einem volumetrischen
Kompressionsgrad von 10 und einer Kompressionsleistung von 0,73 die Gleichgewichtstemperatur
etwa 1560 C, während ohne Kühlung durch Einspritzung von Wasser die Temperatur sich
auf etwa 5000 C erhöhen wUrde. Bei diesem Beispiel betrug die eingespritzte Wassermenge
ungefähr 200 g je Kilogramm angesaugter und verdichteter Luft.
-
Wenn man auch umlaufende Kompressoren, und insbesondere Einschrauben-Kompressoren,
die mit zufriedenstellendem Wirkungsgrad bei Temperaturen von 150° C arbeiten, herstellen
kann, so bietet es doch Schwierigkeiten, einen annehmbaren Wirkungsgrad bei 5000
C zu erreichen, da einerseits in den komplexen Profilen thermische Verformungen
auftreten und andererseits durch die Erhitzung des angesaugten Gases die thermodynamische
Bilanz beträchtlich gestört wird.
-
ueberdies bringt die Einspritzung von Wasser den zusätzlichen Vorteil
einer Verminderung der Temperatur in der Verbrennungskammer, die dadurch um etwa
3500 C gesenkt wird. Der in dem Gas enthaltene Wasserdampf verringert ebenfalls
das Ansteigen der Temperatur. Da es sich um eine Verbrennung unter konstantem Druck
handelt, so ist die Temperatur selbst in der Nähe des stöchiometrischen Verhältnisses
beträchtlich geringer als die Temperatur, mit der man es im Verbrennungsraum eines
Kolbenmotors, insbesondere eines Dieselmotors, zu tun hat und die sich auf etwa
1800° C beläuft, also auf der Grenze liegt, jenseits deren beträchtliche Mengen
von Stickoxyden entstehen, die bekanntlich die am schweraten zu entfernenden Verunreinigungen
sind. Man erzielt also durch die Erfindung einen Betriebsablauf von ausgezeichnetem
thermodynamischen Wirkungsgrad nahe der Stöchiometrie und bei hohem Kompressionsgrad,
ohne daß die von Stickoxyden herrUhrenden Nachteile auftreten.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mißt eine nicht gezeigte Temperatursonde
die Temperatur der in der Leitung 11 strömenden Flüssigkeit und sie ändert automatisch,
z.B. durch die Einwirkung auf die Pumpe 14, die eingespritzte Wasser menge.
-
Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die Sonde die Temperatur der
verdichteten Luft an einer beliebigen Stelle des Kreislaufes zwischen dem Auspuff
des Kompressors und der Verbrennungskammer mißt oder wenn andere gleichwertige Regelvorrichtungen
Verwendung finden.
-
Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der eine solche Regelung und die
Einspritzkammer in Fortfall gekommen sind und die Hilfsflüssigkeit aus dem Behälter
6 in eine Leitung 15 strömt, die ala Tauscher ausgebildet ist und sich in einem
teilweise mit Wasser gefüllten Behälter 16 befindet. Im oberen Teil 17 des Behälters
16 wird durch eine Leitung 18 aus dem Behälter 6 Druckluft zugeführt. Diese Luft
sättigt sich unter thermischen Gleichgewichtsbedingungen, die im wesentlichen den
vorstehend beschriebenen entsprechen, mit Wasserdampf.
-
Entsprechend Fig. 7 wird ein Rauscher 19 mittels eines Ventilators
20 von der umgebenden Luft bespült. Der Tauscher 19 führt zu einem Behälter 13 und
ist so berechnet, daß die entspannten Gase auf eine Temperatur gekühlt werden, bei
der der in ihnen enthaltene gesättigte Wasserdampf dem bei der Verbrennung gebildeten
praktisch gewichtsgleich ist.
-
Bekanntlich wird bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Wasserdampf
erzeugt. Bei den üblichen Kohlenwasserstoffen ist die Menge des erzeugten Wasserdampfes
etwa gleich derwenigen, die notwendig ist, um die entspannten Gase bei 600 C und
etwa dem atmosphärischen Druck und bei 800 C und 1 bar zu sättigen
Man
kann also beispielsweise in dem Auslaß eine Einschnürung 21 vorsehen, derart, daß
bei vollem Betrieb der Druck in dem Behälter 13 1 bar beträgt, und den Tauscher
19 so bemessen, daß die Auagangstempfratur etwa 800 C beträgt. Bei Teilbetrieb vermindert
sich der Austrittsdruck, aber gleichzeitig auch die zu kühlende Menge. Die Temperatur
wird geringer und die Wasserdamp£menge in den Auspuffgasen bleibt je Kilogramm Gasmenge
praktisch gewichtsgleich.
-
Bemerkt sei, daß eine Temperatur von 800 C nur eine mäßige Vergrößerung
der Wärmetauscher erfordert, die üblicherweise bei Fahrzeugmotoren Verwendung finden
und meist bei etwa iÖ00 C arbeiten.
-
Bemerkt sei, daß die Temperatur von 800 C erhöht werden könnte, wenn
die üblichen Brennstoffe durch solche ersetzt werden, die weniger Kohlenstoff und
mehr Wasserstoff enthalten und in Zukunft mehr und mehr Verwendung finden werden.
-
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist der Entspanner
9 von volumetrischer Art mit einer Wassereinspritzung 22 versehen. Dieses als Hilfsflüssigkeit
dienende Wasser ist in der beispielsweise aus der französischen Patentschrift 1
287 593 bekannten Weise dazu bestimmt, den Entspanner zu kühlen. Das Wasser wird
beispielsweise unter der Wirkung der Schwerkraft am Auspuff des Entapanners abgetrennt
und in einen Behälter 23 geleitet. Nur die mit Wasser gesättigten Gase gelangen
dann in den Tauscher 19, worauf sie in dem Behälter 13 von kondensierten Tröpfchen
getrennt werden. Eine Pumpe 34 befördert die abgetrennte Flüssigkeit in den Behälter
23. Von dem Behälter 23 wird das Wasser durch eine Pumpe 24 unter Druck zu der Einspritzstelle
22 befördert. Von der Druckseite der Pumpe 24 führt eine Abzweigleitung zu einem
Ventil 25, mit dessen Hilfe es möglich ist, den Flüssigkeitsstand in dem Behälter
16 wieder herzustellen.
Das Ventil 22 wird beispielsweise durch
einen in dem Behälter 16 befindlichen Schwimmer betätigt.
-
In einer die Behälter 16 und 23 verbindenden Leitung 27 ist ebenfalls
ein Ventil 23 angeordnet. In kalten Perioden kann es nämlich notwendig sein, das
Wasser mit einem Zusatz, wie z.B. Glykol, zu versehen, wodurch das Gefrieren verhindert
wird. Um nun eine übermäßige Konzentration des Glykols in dem Kessel 16 zu vermeiden,
kann eine geringe Menge ständig in den Behälter 23 übergeleitet werden. Die Mengenregelung
erfolgt hierbei durch das Ventil 26.
-
Bemerkt sei, daß das Druckwasser in der Stromrichtung hinter der Pumpe
24 dazu benutzt werden kann, um die Wände von festen eilen, wie z.B. die Verbrennungskammer
oder das Gehäuse des Entspanners 9, zu kühlen. Diese Kühlung erfolgt durch Verdampfung
des Wassers. Der Dampf kann in die Verbrennungskammer geleitet und mit den Gasen
entspannt werden.
-
Die mit volumetrischen Kompressionsgraden von 10 erzielbaren Drücke
haben nämlich eine Größenordnung von 20 bar. Dies entspricht Siedetemperaturen des
Wassers von ungefähr 2200 C.
-
Solche Temperaturen sind für die Wände einer Verbrennungskammer oder
eines festen Gehäuses durchaus verträglich. Es ergibt sich daraus einerseits eine
beträchtliche Wiedergewinnung von Energie, die sonst durch die Wände der bekannten
Maschinen verloren geht, und andererseits eine bisher nicht bekannte Absenkung der
Maximal-Temperatur der verbrannten Gase.
-
Leerseite