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Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von
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Brennstoffwärme in mechanische Energie Die Erfindung betrifft ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Brennstoffwärme in mechanische
Energie in einem Verbrennungsmotor, wobei in periodischer Reihenfolge ein verdichtetes,
gasförmiges Arbeitsmedium in einen Brennraum eingelassen und zusammen mit zugeführtem,
zur Verbrennung des Arbeitsmediums dienenden Fluid verbrannt wird und die bei der
Verbrennung gebildeten Reaktionsgase unter Ausdehnung entspannt und aus dem Brennraum
ausgeschoben werden.
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Es sind Verfahren bekannt, bei denen zur Verbrennung bestimmte Luft
vorverdichtet und in den Brennraum eines Verbrennungsmotors eingelassen wird. Innerhalb
des Motors wird die vorverdichtete Luft z.B. durch die Bewegung eines Kolbens bis
zu einem maximalen Druck, dem Kompressionsenddruck, verdichtet. Anschließend wird
in die verdichtete Luft Brennstoff eingespritzt und das Gemisch durch Selbst- oder
Fremdzündung verbrannt und entspannt. Die Vorverdichtung der Luft bewirkt eine Leistungssteigerung
eines Verbrennungsmotors im Vergleich zu einem Motor, der Luft von Umgebungsdruck
ansaugt. Die Vorverdichtung bewirkt zwar auch eine
geringfügige
Verbesserung des Wirkungsgrades, jedoch ist dieser Effekt nicht auf eine verbesserte
Umwandlung der im Brennstoff enthaltenen Energie zurückzuführen, sondern auf eine
relative Verringerung wirkungsgradmindernder Einflüsse beispielsweise des zwischen
dem Kolben in der oberen Totpunktlage und dem Zylinderkopf eines Hubkolbenmotors
bestehenden Schadraumes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
geschilderten Art anzugeben, durch das die im Fluid enthaltene Energie, die Brennstoffenergie,mit
besserem Wirkungsgrad als in bekannten Verbrennungsmotoren in mechanische Energie
umgewandelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das gasförmige
Arbeitsmedium außerhalb des Motors ganz oder fast auf Kompressionsenddruck verdichtet,
erhitzt und in den Brennraum eingelassen wird.
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Erfindungsgemäß findet innerhalb des Motors keine, allenfalls eine
geringfügige Kompression statt. Vielmehr wird das Arbeitsmedium außerhalb des Motors
vollständig oder zumindest im wesentlichen auf den Kompressionsenddruck verdichtet,
der in bisherigen Motoren erst durch Kompression innerhalb des Motors erreicht wurde.
Durch die Verlegung der Kompression nach außerhalb des Motors wird das Leistungsgewicht,
d.h. das Masse-Leistungsverhältnis verbessert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das komprimierte
Arbeitsmedium außerhalb des Brennraums im Wärmetausch mit den bei der Verbrennung
in vorausgegangenen Arbeitstakten des Motors gebildeten Reaktionsgasen erhitzt.
Daher kann die zugeführte Brennstoffwärme im Vergleich zu Prozessen ohne zusätzliche
Erhitzung des komprimierten Arbeitsmediums reduziert werden. Das bedeutet
aber
auch, daß weniger Brennstoff (Fluid) zugeführt werden muß. Auf diese Weise wird
im Vergleich zu herkömmlichen Dieselmotoren oder Ottomotoren ein wesentlich besserer
Wirkungsgrad erzielt. Erfindungsgemäß wird die Umwandlung der Brennstoffwärme in
mechanische Energie in einem Verbrennungsmotor zweckmäßigerweise in einem aus zwei
Takten bestehenden Arbeitszyklus durchgeführt. Dabei wird im ersten Takt (Kolbenbewegung
von der oberen bis zur unteren Totlage) das auf Kompressionsenddruck verdichtete
Arbeitsmedium bei geöffnetem Einlaßventil in den Brennraum eingelassen, das Einlaßventil
wieder geschlossen, der Brennstoff (Fluid) zugeführt und das entstehende Gemisch
verbrannt und entspannt. Im zweiten Takt werden die bei der Verbrennung entstandenen
Reaktionsgase bei geöffnetem Auslaßventil aus dem Brennraum ausgeschoben.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
wird ein Teil der in den Reaktionsgasen nach dem Austritt aus dem Brennraum enthaltenen
Energie genutzt.
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Dazu werden die aus dem Brennraum ausgeschobenen Reaktionsgase zunächst
in einer Expansionsmaschine (Abgasturbine) arbeitsleistend entspannt und anschließend
beim Wärmetausch mit dem komprimierten Arbeitsmedium bis etwa auf die Temperatur
des komprimierten Arbeitsmediums gekühlt. Die in den Reaktionsgasen enthaltene Energie
wird in dieser Verfahrensweise nicht nutzlos abgegeben, sondern zu einem wesentlichen
Teil erneut in den Umwandlungsprozeß eingekoppelt bzw. in Form mechanischer Energie
abgegeben. Wird die Fluidzufuhr in den Brennraum und damit die Maximaltemperatur
der Verbrennungsgase im Brennraum erhöht, so steigt auch der Anteil der aus den
Reaktionsgasen rückgewonnenen Wärme. Die geschilderten Maßnahmen bewirken eine Verbesserung
des Wirkungsgrades und eine niedrigere Temperatur der an die Umgebung abgegebenen
Reaktionsgase.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungs-
gedankens
wird zusammen mit komprimiertem, erhitztem Arbeitsmedium Wasserdampf in den Brennraum
eingelassen. Der Wasserdampf dient unter anderem dazu, Wärme aufzunehmen, um die
Höchsttemperatur der Reaktionsgase im Brennraum zu begrenzen.
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Grundsätzlich ist es möglich, Fluid und Wasserdampf vor dem Einleiten
in den Brennraum mit beliebigen Wärmequellen vorzuwärmen. Nach einem vorteilhaften
Merkmal der Erfindung wird bzw. werden Fluid und/oder Wasserdampf bzw.
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das Wasser im Wärmetausch mit dem entspannten Reaktionsgas erwärmt.
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Die Maximaltemperatur im Brennraum bzw. das Druckniveau der Reaktionsgase
nach der Entspannung wird bestimmt durch das Temperaturniveau, mit dem die Reaktionsgase
den Brennraum über das Auspuffventil verlassen dürfen, ohne daß dieses Ventil zerstört
wird. Werden die Reaktionsgase erfindungsgemäß in einer Expansionsmaschine entspannt,
so kühlen sich die Reaktionsgase weiter ab. Im Wärmetausch mit den entspannten Reaktionsgasen
wird das komprimierte Arbeitsmedium daher lediglich auf ein Temperaturniveau angehoben,
das weit unter dem Temperaturniveau liegt, mit dem das Arbeitsmedium ohne Beschädigung
des Einlaßventils dem Brennraum zugeführt werden könnte. Dieses Temperaturniveau
entspricht der Temperatur der den Brennraum verlassenden Reaktionsgase. Mit besonderem
Vorteil wird bzw. werden daher nach einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
das komprimierte Arbeitsmedium und/oder das Fluid und/oder der Wasserdampf nach
der Erwärmung im Wärmetausch mit Reaktionsgasen und vor dem Einlassen in den Brennraum
durch Fremdwärme erhitzt. Diese Maßnahme ist besonders dann anzuwenden, wenn im
Vergleich zur teuren Brennstoffenergie preisgünstige Abwärme mit einem geeigneten
Temperaturniveau zur Verfügung steht.
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Nach einem Merkmal der Erfindung wird Luft als Arbeitsmedium verwendet,
die zusammen mit Brennstoff als Fluid verbrannt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird dabei die Luft in mehreren
Stufen, vorzugsweise mit Zwischenkühlung komprimiert. Durch eine mehrstufige Verdichtung
mit Zwischenkühlung wird die Luft nahezu isotherm komprimiert, so daß die Luft nach
der vollständigen Kompression annähernd Umgebungstemperatur besitzt. Das heißt,
die mehrstufige Kompression mit Zwischenkühlung verringert einerseits die Kompressionsarbeit
und ermöglicht andererseits eine nahezu vollständige Nutzung der in den entspannten
Rauchgasen enthaltenen Wärme. Grundsätzlich ist es möglich, die zur Kompression
der Luft erforderliche Energie durch eine vom Verbrennungsmotor unabhängige Anlage
bereitstellen zu lassen. In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird jedoch die
gesamte Kompressionsarbeit für die Verdichtung der Luft auf Kompressionsenddruck
durch die in der dem Motor nachgeschalteten Expansionsmaschine (Abgasturbine) aus
den Reaktionsgasen gewonnene Energie gedeckt.
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Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung wird die Luft
vor der Verdichtung gekühlt. Die Kühlung kann auf eine Temperatur von oberhalb oder
unterhalb OOC erfolgen, wobei die Kompressionsarbeit zusätzlich verringert und die
Endkompressionstemperatur gesenkt wird.
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Nach einer anderen erfindungsgemäßen Variante ist es vorteilhaft,
in die komprimierte Luft vor deren Wärmetausch mit den entspannten Rauchgasen-Wasser
einzudüsen. Da selbst bei Kompression in mehreren Stufen und jeweiliger Zwischenkühlung
eine isotherme Kompression der Luft nicht bewirkt werden kann, hat die Luft nach
der Kompression stets eine über Umgebungstemperatur liegende Temperatur. Durch das
eingedüste
Wasser kann die ohnehin anfallende Kompressionswärme zur Verdampfung des eingedüsten
Wassers genutzt werden.
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Da ein auf diese Weise bereitetes Wasserdampf-Luft-Gemisch eine im
Vergleich zu reiner Luft größere Wärmemenge aufnehmen kann und in den Verbrennungsgasen
pro Arbeitstakt eine größere Menge an zu entspannendem Arbeitsmedium zur Verfügung
steht, wird durch die geschilderte Verfahrensvariante eine weitere Steigerung des
Wirkungsgrades und der Leistung erzielt.
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Es hat sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, die zu komprimierende
Luft mit Sauerstoff anzureichern. Der Anteil der Inertgase an der Luft wird dabei
zugunsten des Sauerstoffanteils verringert, der Verbrennungsprozeß daher begünstigt.
Besonders zweckmäßig erweist sich diese Maßnahme, wenn als Standort eines erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotors die Nachbarschaft einer Luftzerlegungsanlage gewählt wird.
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Hier kann die niedrige Temperatur, mit der Sauerstoff aus der Luftzerlegungsanlage
abgezogen werden kann, dazu genützt werden, die Kompressionsarbeit insgesamt zu
verringern.
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Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren
eine Steigerung des Wirkungsgrades gegenüber bekannten Verbrennungsmotor zuläßt.
Die an die Umwelt abgegebene Abwärme wird erheblich reduziert. Ebenso sinkt aufgrund
des geringeren Brennstoffverbrauchs die Schadstoffemission. Ein erfindungsgemäßer
Motor ermöglicht die Nutzung diskontinuierlich anfallender Abwärme (für die Erwärmung
der komprimierten und im Wärmetausch mit Rauchgasen erwärmten Luft), sowie diskontinuierlich
anfallender mechanischer Energie (für die Verdichtung der Luft), da bei Ausfall
dieser Energiequellen die erforderliche Energie durch mehr Brennstoffverbrauch im
Motor ersetzt werden kann.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird als Arbeits-
medium
reiner Sauerstoff verwendet, der zusammen mit Brennstoff als Fluid verbrannt wird.
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Diesem erfindungsgemäßen Verfahrensschritt liegt der Gedanke zugrunde,
daß jeder Verbrennungsmotor in seiner Wirkungsweise einem Vergasungsreaktor entspricht.
Bei einem Motor werden innerhalb einer gekühlten Wandung (Temperaturen kleiner als
1000C) Reaktionstemperaturen von weit über 20000C erreicht. Wegen der nachfolgenden,
arbeitsleistenden Entspannung verläßt das Reaktionsprodukt (Abgas) den Motorraum
mit einer Temperatur, die wesentlich unter 10000C liegt. Bei optimaler Motoreinstellung
ist das Abgas weitgehend rußfrei.
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Vergasungsreaktoren werden z.B. zur Produktion von Synthesegas benutzt.
Die Verfahren zur Synthesegaserzeugung beruhen auf dem Prinzip der unvollkommenen
Verbrennung (partieller Oxidation) von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff unter
Zugabe von Wasserdampf. Diese konventionellen Verfahren werden als kontinuierlicher
Prozeß bei Temperaturen von 13000C bis 16000C betrieben. Dabei kann jedoch die Wärme
des mit Reaktionstemperatur aus dem Reaktor kommenden Produktes in der anschließenden
Abhitzeverwertung nur sehr unvollkommen - auf dem im Mittel viel zu niedrigen Temperaturniveau
der Wasserverdampfung und -überhitzung - genutzt werden.
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Außerdem ist wegen der nach oben begrenzten Rekationstemperatur und
unter anderem wegen der unvollkommenen Vermischung der Reaktionsteilnehmer (Brennstoff,
Sauerstoff, Wasserdampf) beim Eindüsen in den großen Reaktorraum ein rußfreier Betrieb
nicht möglich. Entstandener Ruß muß aus dem Produkt entfernt, aufgearbeitet und
mit Brennstoff vermischt.in den Reaktor zurückgeführt werden.
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Der erfindungsgemäße Vorschlag ermöglicht nun eine energetisch günstige
Vergasung beliebiger Kohlenwasserstoffe
und (entaschter) Kohle
durch partielle Oxidation, wobei die in den Kohlenwasserstoffen enthaltene Energie
teilweise auch in mechanische Energie umgewandelt wird. Dazu werden die, soweit
wie möglich vorgewärmten Reaktionsteilnehmer (Sauerstoff, Kohlenwasserstoffe, gegebenenfalls
Wasserdampf) in den Brennraum eines ein- oder mehrzylindrigen Kolbenmotors bei geschlossenem
Auslaßventil eingedüst.
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Zu Beginn des Eindüsens nähert sich der Kolben der oberen Totlage.
Durch Fremd- oder Selbstzündung erfolgt die Reaktion (partieller Oxidation), wobei
analog dem Otto-Motor der Druck und die Temperatur bei annähernd konstantem Volumen
des Brennraums stark ansteigen. Nach erfolger Reaktion expandiert das Reaktionsprodukt
adiabat und arbeitsleistend auf den gewünschten Druck bis der Kolben die untere
Totlage erreicht. Dabei kühlt sich das Reaktionsprodukt stark ab.
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Während der Wellen- bzw. Kolbenbewegung von der unteren zur oberen
Totlage wird das Produkt bei geöffnetem Aus daß ventil aus dem Brennraum ausgeschoben.
Das Gehäuse wird - analog den Verbrennungsmotoren - mit Wasser gekühlt.
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Das Eindüsen der Reaktionsteilnehmer unter hohem Druck kann wie bei
der konventionellen Vergasung erfolgen. Dabei werden Sauerstoff und Wasserdampf
vor dem Eintritt vermischt und konzentrisch um den Brennstoffstrahl eingedüst. Der
Zylinderkopf und der Kolben werden so ausgeführt, daß eine gute Vermischung gewährleistet
wird.
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Hierbei wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens das Verhältnis von Sauerstoff, Brennstoff und Wasserdampf so gewählt,
daß im Brennraum nur eine unvollkommene Verbrennung (partielle Oxidation) stattfinden
kann.
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Im Vergleich zu konventionellen Vergasungsprozessen besitzt
das
erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß der größte Teil der durch die Reaktion
entwickelten Wärme direkt in mechanische Energie umgewandelt wird. Positive Folge
dieser Verfahrensweise ist, daß die Wärmeumsätze bei der nachfolgenden Abhitzeverwertung
um die geleistete Arbeit kleiner sind. Das vorgeschlagene Verfahren ist für alle
aschefreien Brennstoffe anwendbar, ermöglicht einen weitgehend rußfreien Betrieb
und gewährt eine größere Freiheit in der Wahl des Reaktionsdruckes, der Temperatur,
der zugesetzten Dampfmenge usw.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
ist das gasförmige Arbeitsmedium ein Brenngas mit niedrigem Heizwert, das mit Sauerstoff
als Fluid verbrannt wird. Nach diesem Merkmal kann zur Erzeugung mechanischer Energie
ein Schwachgas, z.G. Gichtgas zusammen mit eingedüstem Sauerstoff verbrannt werden.
Ein derartiges Brenngemisch entspricht in seiner Zusammensetzung einem aus Luft
und einem Brennstoff bestehenden Bremmgemisch: Luft (21% 02 + Inertgase) + CO =
Brenngemisch Schwachgas (21% CO + Inertgase) + 02= Brenngemisch Eine Vorrichtung
zur Durchführung des mit Luft arbeitenden Verfahrens besteht aus einem Verbrennungsmotor
mit einem oder mehreren, jeweils in einem Gehäuse bewegbaren Kolben und einem durch
Gehäuse und Kolben begrenzten Brennraum mit einem Arbeitsmediumeinlaß (und Einlaßventil),
einem Fluideinlaß und einem Reaktionsgasauslaß (mit Auslaßventil).
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Mit Vorteil besitzt ein derartiger Verbrennungsmotor erfindungsgemäß
wenigstens einen von einer an den Reaktionsgasauslaß angeschlossenen Abgasturbine
angetriebenen Kompressor, der mit einem an den Arbeitsmediumeinlaß angeschlossenen
Strömungsquerschnitt eines Rekuperators verbunden ist, wobei im Rekuperator ein
weiterer an den Abgasturbinenausgang angeschlossener Strömungsquerschnitt
für
die entspannten Reaktionsgase angeordnet ist.
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Im folgenden sollen anhand schematischer Skizzen Ausführungsbeispiele
erläutert werden: Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipskizze Figur 2 eine Skizze eines
mit Luftkühlung, Wassereindüsung und Fremdwärmenutzung arbeitenden Motors Figuren
3 - 6 Temperatur-Entropie-Diagramme eines Gleichdruckprozesses mit Abgasturbine
und eines Prozesses mit Abgasturbine, Außenkompression und Wärmerekuperator.
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Figur 7 den Prozeßverlauf im Zylinder eines energieerzeugenden Vergasungsreaktors
während einer Wellenumdrehung Figuren 8 u. 9 je eine Prinzipskizze für die Versorgung
eines energieerzeugenden Vergasungsreaktors mit den Reaktionsteilnehmern Gemäß Figur
1 wird Luft von einem Kompressor 1 angesaugt und auf Kompressionsenddruck komprimiert.
In einem nachgeschalteten Rekuperator 2 tritt die komprimierte Luft in Wärmetausch
mit in vorausgegangenen Arbeitstakten gebildeten Rauchgasen.
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Die so erhitzte Luft tritt aus dem Rekuperator aus und in den Brennraum
eines Motors, von dem in den Figuren jeweils nur ein Zylinder 4 symbolisch dargestellt
ist, ein. In die komprimierte Luft wird Brennstoff 3 eingeführt. Im Ausführungsbeispiel
soll ein Verbrennungsmotor mit Selbstzündung beschrieben werden. Das bedeutet, Druck
und Temperatur der eingeführten Luft reichen für eine Selbstzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches
aus. In diesem ersten Takt des aus zwei Takten bestehenden Arbeitszyklus' werden
das entstandene Gemisch verbrannt und entspannt. Im nachfolgenden Takt werden die
gebil-
deten Rauchgase bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 5 aus
dem Brennraum ausgeschoben und in eine Abgasturbine 6 eingeleitet. Dort werden die
Rauchgase arbeitsleistend entspannt und in den Rekuperator 2 eingeleitet und anschließend
an die Atmosphäre abgegeben. Im Rekuperator kühlen sich die Rauchgase im Wärmetausch
mit Luft bis nahezu auf deren Eintrittstemperatur in den Rekuperator ab.
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In Figur 2 ist die in Figur 1 dargestellte Anlage durch einen Wärmetauscher
bzw. Erhitzer 7, eine Kühlanlage 9 sowie eine Eindüsvorrichtung für Wasser 8 ergänzt
worden. In dieser Ausgestaltung wird Luft oder mit beispielsweise aus einem Luftzerleger
stammenden Sauerstoff angereicherte Luft von einem Kompressor 10 verdichtet und
nachfolgend in einem im Ausführungsbeispiel wassergekühlten Wärmetauscher 9 auf
eine unter Umgebungstemperatur Tu liegende Temperatur T gekühlt. Einerseits verringert
sich hierdurch die Kompressionsarbeit des nachfolgenden Kompressors 1 und andererseits
ist die Temperatur der Luft nach der Kompression niedriger als in einer Anlage gemäß
Figur 1 an vergleichbarer Stelle. Um die bei der Kompression unvermeidbare Kompressionswärme
zu nützen wird in die komprimierte Luft über eine nicht näher dargestellte Eindüsvorrichtung
Wasser eingedüst. Das im Rekuperator erwärmte Wasserdampf-Luft-Gemisch (bzw. mit
Sauerstoff angereicherte Luft-Wasserdampf-Gemisch) wird nachfolgend durch Fremdwärme,
nach Möglichkeit durch Abwärme auf eine durch die Materialeigenschaften des Einlaßventils
begrenzte Temperatur erhitzt, mit der das Gemisch in den Brennraum eingelassen wird.
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In Figur 3 ist ein idealer, mit einer Abgasturbine arbeitender Dieselprozeß
in einen Temperatur-Entropie Diagramm dargestellt. Einer adiabatischen Kompression
(t-2) auf den Druck P2 folgt eine isobare Erwärmung (2 - 3) der sich eine adiabatische
Expansion (3 - 4) anschließt. Die verdichtete Luft
steht unter
einem Druck von etwa 35 bar. Die Entspannung wird von p2 bis zum Umgebungsdruck
p1 geführt. Dies ermöglicht die Abgasturbine, in der der Druck von PAT auf p1 erniedrigt
wird. Die Daten dieses Prozesses sind in der linken Spalte der nachfolgenden Tabelle
unter der Bezeichnung "Figur 3" zusammengefaßt.
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In Figur 4 ist ein ideal ablaufender, erfindungsgemäßer Prozeß wiedergegeben.
Diesem Prozeß ist das gleicbeDruckverhältnis zugrundegelegt, wie dem in Figur 3
dargestellten Prozeß. Hier folgt einer isothermen Kompression (1 - 2) die Erwärmung
im Rekuperator (2 - 3') und anschließend im Motor (3' - 3). Im Motor erfolgt eine
adiabatische Entspannung (3 - 4'), der sich die Entspannung in der Abgasturbine
anschließt (4' - 4). Nach der Entspannung folgt die Abkühlung m Rekuperator (4 -
5). Gestrichelt ist in dieser Figur eine abkühlung der Ansaugluft auf eine unter
Umgebungstemperatur iegende Temperatur dargestellt (1'). Die Daten dieses Proesses
sind in der dritten Spalte der Tabelle unter der Bezeichnung "Figur 4" zusammengefaßt.
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In den Figuren 5 und 6 sind die beiden angegebenen Prozesse als reale
Prozesse dargestellt. D.h. bei diesen Darstellungen wurden die Wirkungsgrade bei
der Kompression und der Expansion berücksichtigt, während bei der Wärmezufuhr im
Motor weiter davon ausgegangen wird, daß lediglich Luft erhitzt wird. Die real ablaufenden
chemischen Reaktionen wurden nicht berücksichtigt. In Figur 6 ist eine 4-stufiae
Kompression mit jeweiliger Zwischenkühlung dargestellt.
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Die Daten der beiden in den Figuren 5 und 6 dargestellten Prozesse
sind in der folgenden Tabelle in der zweiten und vierten Spalte wiedergegeben. Allen
Prozessen wurde ein Adiabatenexponent / = 1,4 zugrundegelegt. Als adiabatischer
Wirkungsgrad der Expansion und der Kompression wurden für die Realprozesse W E=
n R 0,9 gewählt. Verluste an
eine Außenkühlung wurdennicht berücksichtigt.
Druckverluste von jeweils 0,15 bar in den Zwischenkühlern beim Prozeß gemäß Figur
6 sind dagegen berücksichtigt.
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Die folgende Tabelle beweist deutlich die mit dem erfindungsgemäßen
Prozeß erzielbare Verbesserung des Wirkungsgrades.
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Die thermodynamische Güte des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auf
die Kombination folgender Maßnahmen zurückzuführen: 1. (quasiisotherme) Verdichtung
mit wenig Energie außerhalb des Motors.
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2. Weitgehende Rekuperation der Abwärme im Reaktionsgas und 3. Eine
von hohen Temperaturen ausgehende, an sich bekannte arbeitsleistende Entspannung
im Motor.
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Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet in gewisser Weise ähnlich
wie ein Gasturbinenprozeß bei welchem die Brennkammer durch einen arbeitsleistenden
Motor ersetzt wird. Anstelle der mit Rücksicht auf das Turbinenmaterial üblicherweise
auf 6000C bis 900"C bearenzten Eintrittstemperatur können beim erfindungsgemäßen
Verfahren Temperaturen von ca. 20000C ohne teure Materialien erreicht werden (siehe
auch Tabelle).
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In Figur 7 ist der Prozeßverlauf im Zylinder eines als energieerzeugender
Vergasungsreaktor arbeitenden Motors während einer Wellenumdrehung schematisch dargestellt.
Die soweit wie möglich vorgewärmten Reaktionsteilnehmer, also Sauerstoff, Wasserdampf
und Brennstoff, werden in den Brennraum eines ein- oder mehrzylindrigen Kolbenmotors
bei geschlossenem Auslaßventil 11 eingedüst. Zu Beginn des Eindüsens (Punkt a) nähert
sich der Kolben 5 der oberen Totla-
ge. Durch Fremd- oder Selbstzündung
erfolgt die Reaktion, wobei der Druck und die Temperatur bei annähernd konstantem
Volumen des Brennraums stark ansteigen (Wellenbewegung von a bis b). Nach erfolger
Reaktion (Punkt b) expandiert das Reaktionsprodukt adiabat und arbeitsleistend auf
den gewünschten Druck bis der Kolben 5 die untere Totlage (Punkt c) erreicht. Dabei
kühlt sich das Reaktionsprodukt stark ab. Während der Wellen- bzw. Kolbenbewegung
von c bis a wird das Produkt bei geöffnetem Auslaßventil 11 aus dem Brennraum ausgeschoben.
Das Gehäuse des Zylinders 4 wird mit Wasser gekühlt.
| Gleichdruckprozeß Prozeß mit Abgas- |
| (Diesel-Motor)mit turbine,Außenkom- |
| Abgasturbine pression und Wär- |
| merekuperator |
| Fig. 3 Fig. 5 Fig. 4 Fig. 6 |
| Luftmenge (kg) 1 1 1 1 |
| Kompressionsdruckverhaltnis Pipl 35 35 35 |
| Zustand 1 T1/p1 303/1 303/1 303/1 303/1 |
| Zustand 2 T2/p2 836,8/3 896,2/35 303/35 372/35 |
| Tempe- Zustand 3' T3'/p3' 323,1/35 857,6/35 |
| raturen |
| und Zustand 3 T3/P3 2273/35 2153,5 2273/3 2153,5 |
| Drücke 3 3 /35 /35 |
| (K)(bar) Zustand 4' T4'/p4' 1227,5 1273 1130,8 1273 |
| /4,05 /4,201 /3,04 /4,201 |
| Zustand 4 T4/p4 823,1/1 887,6/1 823,1/1 887,6/1 |
| Zustand 5 T5/p5 303/1 402/1 |
| Motor LM 535,1 312,1 1147,5 884,6 |
| Abgasturbine LAT 385,4 363,7 309,2 387,2 |
| resul- |
| tierende Luftkompressor* LLR 309,2 377,2 |
| Arbeits- |
| beträge Kältemaschine LKM L 10 |
| (KJ) (Kaltwassersatz) KM |
| Nutzarbeit |
| L= LM + LAT - (LLK+LKM) 920,5 675,8 1147,5 884,6 |
| zugeführte Wärme Q (kJ) 1443,0 1263,2 1456,7 1302,0 |
| rekuperierte Wärme QR (kJ) 522,5 487,8 |
| Verlustwärme (Abwärme) Qo (kJ) 522,5 587,4 309,2 417,4 |
| Wirkungsgrad # = L/Q (%) 63,8 53,5 78,8 67,9 |
| Exergie d. zugefuhrten Wärme E (kJ) 1138,8 996,3 1147, 1021,7 |
| exergetischer Wirkungsgrad # = L/EQ (%) 80,8 67,8 100 86,6 |
In den Figuren 8 und 9 sind zwei Varianten für die Vorwärmung
und Zuführung der Reaktionsteilnehmer für einen energieerzeugenden Vergasungsreaktor
dargestellt.
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Gemäß Figur 8 wird von einer Anlage ausgegangen, die Hochdruckdampf
über eine Leitung 15 bereitstellt. Dieser Dampf wird ergänzt durch Dampf aus einer
Leitung 16, der aus Wasser im Wärmetausch mit dem den Vergasungsreaktor verlassenden
Produktgas erzeugt worden ist. Der Wärmetausch findet in einem Wärmetauscher 17
statt. In weiteren Wärmetauschern 18 und 19 werden der Brennstoff und der Sauerstoff
erwärmt und über Leitung 13 bzw. 12 in den Brennraum eingedüst. Zum Erwärmen dieser
Reaktionsteilnehmer dient kondensierender Dampf aus Leitung 15. Nach erfolgter Reaktion
im Brennraum werden die Reaktionsgase über Auslaßventil 11, Wärmetauscher 17 in
eine Leitunq 20 eingespeist.
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In Figur 9 ist eine Variante dargestellt, wonach die Reaktionsteilnehmer
in einem Wärmetauscher 21 zunächst im Wärmetausch mit den Reaktionsgasen und nachfolgend
in einem Wärmetauscher 22 durch Fremdwärme, insbesondere Abwärme mit geeignetem
Temperaturniveau, erhitzt werden. Anschließend werden Sauerstoff, Wasserdampf und
Brennstoff in den Brennraum eingedüst. Die Reaktionsgase werden nach Verlassen des
Brennraums in einer Entspannungsturbine 23 entspannt, in Wärmetauscher 21 bis Umgebungstemperatur
abgekühlt und in einer Anlage 24 gereinigt und auf den gewünschten Lieferdruck nachkomprimiert.
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Ausführungsbeispiel: Der in den Figuren 7 bis 9 beschriebene energieerzeugende
Vergasungsreaktor kann beispielsweise in einem Reduktionsstahlwerk Anwendung finden.
Sauerstoff aus einer Luftzerlegungsanlage wird auf einen Druck von ca. 6 bar gebracht
und in einer Menge von ca. 2000 m3/h einem vierzylindrigen
Motor
mit je ca. 100 1 Hubraum zugeführt. Gleichzeitig werden ca. 4000 m3 Erdgas pro Stunde
in die Zylinder eingeleitet. Der mit einer Drehzahl von ca. 150 U/min arbeitende
Motor leistet ca. 1,5 MW und produziert ein aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes
Reduktionsgas in einer Menge von ca. 12000 m3/h und mit einem Druck von ca. 3,5
bar.
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Dieses Reduktionsgas wird zusammen mit im Kreislauf geführtem, von
Kohlendioxid und Wasser befreitem und auf 3,5 bar Druck gebrachten Gichtgas (ca.
24000 m3/h) zusammengeführt und einem Schachtofen (20 to/h Eisen) zugeleitet. Der
Wärmebedarf pro Tonne Eisen beträgt ca. 1,7 Gcal. Herkömmliche Verfahren besitzen
dagegen einen Wärmebedarf von ca. 3,1 Gcal pro Tonne Eisen.
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Leerseite