DE3202511A1

DE3202511A1 - Verfahren und vorrichtung zur umwandlung von brennstoffwaerme in mechanische energie

Info

Publication number: DE3202511A1
Application number: DE19823202511
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 8000 München Dworschak; Anton Dipl.-Ing. 8000 München Pocrnja; Martin Dipl.-Phys. 8135 Söcking Streich
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1982-01-27
Filing date: 1982-01-27
Publication date: 1983-08-04

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(H1240) H 81/18

Hm/fl 26.1.1982

Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von 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.

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

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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.

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.

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.

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 ver- J) dichtet, 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.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das komprimierte Arbeitsmedium außerhalb des Brennraums im Wärmetausch mit den bei der Verbrennung in vorausge-■ gangenen 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

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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.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird ein Teil der in den Reaktionsgasen nach dem Austritt aus dem Brennraum enthaltenen Energie genutzt. 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. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungs-Form. S7M 7.78

gedankens wird zusammen mit komprimiertem, erhitzern Arbeitsmedium Wasserdampf in den Brennraum eingelassen. Der Wasserdampf dient unter anderem dazu, Wärme aufzunehmen, um die Höchsttemperatur der Reaktionsgase im Brennraum zu begrenzen.

_ Eine weitere Verbesserung des energetischen Wirkungsgrades

kann in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung erreicht werden, wenn die wasserdampfhaltigen Reaktionsgase in der Expansionsmaschine auf einen unteratmosphärischen Druck entspannt und nachfolgend auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt werden und

_1Q der nicht kondensierte Anteil der Reaktionsgase auf Atmosphärendruck rückverdichtet und der Atmosphäre zugeführt wird, während das Kondensat mittels einer Pumpe ganz oder teilweise in den Verbrennungsprozess rückgeführt und überschüssiges oder nicht genutztes Wasser verworfen wird. Der Wasserdampf-

«_ Anteil leistet bei der Entspannung Arbeit, so daß von der Ex-

pansionsmaschine mehr Energie abgegeben werden, kann. Da jedoch der Wasserdampf-Anteil bei der Abkühlung auf Umgebungstemperatur kondensiert, braucht dieser Anteil nicht mehr rekomprimiert werden.

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. Wasser in

Wärmetausch mit dem entspannten Reaktionsgas erwärmt. 25

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, 35

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das weit unter dem Temperaturniveau liegt, mit dem das Arbeitsmedium ohne Beschädigung des Einlaßventils dem Brennraum zugeführt werden könnte. Dieses Temperaturni-eau 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 W Fremdwärme erhitzt. Diesee 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.

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.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung
wird die Luft vor der Verdichtung gekühlt. Die Kühlung
kann auf eine Temperatur von oberhalb oder unterhalb 0⁰C

erfolgen, wobei die Kompressionsarbeit zusätzlich verringert und die Endkompressionstemperatur gesenkt wird.

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

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eingedüste Wasser kann die ohnehin anfallende Kompressionswärme zur Verdampfung des eingedüsten Wassers genutzt werden, 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 Sauerstoff anteils verringert, der Verbrennungsprozeß daher begünstigt. Besonders zweckmäßig erweist sich diese Maßnahme, wenn als Standort eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors die Nachbarschaft einer Luftzerlegungsanlage gewählt wird. Hier kann die niedrige Temperatur, mit der Sauerstoff aus der Luftzerlegungsanlage abgezogen werden kann, dazu genützt werden, die Kompressionsarbeit insgesamt zu verringern.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine Steigerung des Wirkungsgrades gegen-(, ' über 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 Wärmeta.usch 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.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird als Arbeits-Form. 5729 7.78

. ₁₃_ "320251 T

medium reiner Sauerstoff verwendet, der zusammen mit Brennstoff als Fluid verbrannt wird.

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 Motor-"N raum mit einer Temperatur, die wesentlich unter 1000⁰C •liegt. Bei optimaler Motoreinstellung ist das Abgas weitgehend rußfrei.

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 unvollkom- ^J men - auf dem im Mittel viel zu niedrigen Temperaturniveau der Wasserverdampfung und -überhitzung - genutzt werden.

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.

Der erfindungsgemäße Vorschlag ermöglicht nun eine energetisch günstige Vergasung beliebiger Kohlenwasserstoffe

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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.

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. Während der Wellen- bzw. Kolbenbewegung von der unteren zur oberen Totlage wird das Produkt bei geöffnetem Auslaßventil aus dem Brennraum ausgesehoben. Das Gehäuse wird - analog den Verbrennungsmotoren - mit Wasser gekühlt.

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.

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.

Im Vergleich zu konventionellen Vergasungsprozessen besitzt

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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.
'""■\

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% O₂ +. Inertgase) + CO = Brenngemisch Schwachgas (21% CO + Inertgase) + 0- = 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). 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

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-is- "" ^: '·32ϋ251Τ

1 für die entspannten Reaktionsgase angeordnet ist.

Im folgenden sollen anhand schematischer Skizzen Ausführungsbeispiere erläutert werden:
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Es zeigen:

Figur 1 eine Prinzipskizze

Figur 2 eine Skizze eines mit Luftkühlung, Wasserein-. düsung und Fremdwärmenutzung arbeitenden Motors ■" \ Figuren 3-6 Temperatur-Entropie-Diagramme eines Gleich-

druckprozesses mit Abgasturbine und eines Prozesses mit Abgasturbine, Außenkompression und Wärmerekuperator.

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 nachgeschal- K.,J teten Rekuperator 2 tritt die komprimierte Luft in Wärmetausch

25mit in vorausgegangenen Arbeitstakten gebildeten Rauchgasen. 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 Ausführungs-

30beispiel 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 Arbeitszyklus¹ werden das entstandene Gemisch ver-35brannt und entspannt. Im nachfolgenden Takt werden die gebil-

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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.

In Figur 2 ist die in Figur 1 dargestellte Anlage durch einen

10Wärmetauscher bzw. Erhitzer 7, eine Kühlanlage 9 sowie eine i~\ 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 Ausfüh-

15rungsbeispiel wassergekühlten Wärmetauscher 9 auf eine unter Umgebungstemperatur T 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

20Anlage 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 Rekupera- \J tor erwärmte Wasserdampf-Luft-Gemisch (bzw. mit Sauerstoff

25angereicherte 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 (1-2) auf den Druck P2 folgt eine isobare Erwärmung (2-3) der sich eine adiaba-

35tische Expansion (3-4) anschließt. Die verdichtete Luft

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steht unter einem Druck von etwa 35 bar. Die Entspannung wird von p_? bis zum Umgebungsdruck P₁ geführt. Dies ermöglicht die Abgasturbine, in der der Druck von ρ _, auf P₁ erniedrigt wird. Die Daten dieses Prozesses sind in der linken Spalte der nachfolgenden Tabelle unter der Bezeichnung "Figur 3" zusammengefaßt.

In Figur 4 ist ein ideal ablaufender, erfindungsgemäßer Prozeß wiedergegeben. Diesem Prozeß ist das gleicheDruckver-10hältnis zugrundegelegt, wie dem in Figur 3 dargestellten Prozeß. Hier folgt einer isothermen Kompression (1-2) die Erwärmung im Rekuperator (2 - 3¹) und anschließend im Motor (3¹ -3). Im Motor erfolgt eine adiabatische Entspannung (3 - 4'), der sich die Entspannung in der Abgasturbine an- ' schließt (4' - 4). Nach der Entspannung folgt die Abkühlung im Rekuperator (4 - 5). Gestrichelt ist in dieser Figur eine Abkühlung der Ansaugluft auf eine unter Umgebungstemperatur liegende Temperatur dargestellt (1')· Die Daten dieses Prozesses sind in der dritten Spalte der Tabelle unter der Bezeichnung "Figur 4" zusammengefaßt.

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

25Expansion 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-stufige Kompression mit jeweiliger Zwischenkühlung dargestellt.

30Die 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

35die Realprozesse 7} _E= 7?= 0,9 gewählt. Verluste an

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eine Außenkühlung wurdennicht berücksichtigt. Druckverluste von jeweils 0,15 bar in den Zwischenkühlern beim Prozeß gemäß Figur 6 sind dagegen berücksichtigt.

Die folgende Tabelle beweist deutlich die mit dem erfindungsgemäßen Prozeß erzielbare Verbesserung des Wirkungsgrades.

Die thermodynamische Güte des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auf die Kombination folgender Maßnahmen zurückzuführen: '

1. (quasiisotherme) Verdichtung mit wenig Energie außerhalb des Motors.

2. Weitgehende Rekuperation der Abwärme im Reaktionsgas und 15

3. Eine von hohen Temperaturen ausgehende, an sich bekannte arbeitsleistende Entspannung im Motor.

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 900⁰C begrenzten Eintrittstemperatur können beim erfindungsgemäßen Verfahren Temperaturen von ca. 2000⁰C ohne teure Materialien erreicht werden (siehe auch Tabelle).

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-

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1 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 5 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 10 dem Brennraum ausgeschoben. Das Gehäuse des Zylinders ( . wird mit Wasser gekühlt.

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	(kg)	Zustand 1 ^Ti\/^pi	zugeführten Wärme E (kJ)	GIe ichdruckprozeß (Diesel-Motor)mit Abgasturbine	Fig. 5	Prozeß mit Abgas turbine ,Außenkom pression und Wär merekuperator	Fig..6
Luftmenge	Kompressionsdruckverhältnis ^PVp«	Zustand 2 T-j/Po	exergetischer Wirkungsgrad tj = /E (^%)	Fig. 3	1	Fig. 4	1
	Zustand 3¹ T /p₃,	1	35	1	35
	Zustand 3 T J^-	35	303/1	35	303/1
Tempe raturen und Drücke	Zustand 4' T.,/p.,	303/1	896,2/35	303/1	372/35
(K)(bar)	Zustand 4 ^λ^λ	836,8/35		303/35	857,6/35
	Zustand 5 T₁-Zp		2153,5 /35	B23,l/35	2153,5 /35
	Motor L M	2273/35	1273 /4,201	2273/35	1273 /4,201
	Abgasturbine L	1227,5 /4,05	887,6/1	1130,8 /3,04	887,6/1
resul tierende Arbeits beträge (KJ)	Luftkompressor* L LK	823,1/1		823,1/1	402/1
	Kältemaschine L (Kaltwassereatz)		312,1	303/1	884,6
zugeführte	Nutzarbeit ^L - ^LM ^{+ L}AT - ^⁺W	535,1	363,7	1147,5	387,2
Wärme Q (kJ)	385,4		309,2	377,2
rekuperierte Wärme Q (kj) R			309,2	10
Verlustwärme (Abwärme) Q (kj)		675,8		884,6
"Ι LZ Wirkungsgrad '< = /Q (%)	920,5	1263,2	1147,5	1302,0
Exergie d.	1443,0		1456,7	487,8
	587,4	522,5	417,4
522,5	53,5	309,2	67,9
63,8	996,3	78,8	1021,7
1138,8	67,8	1147,5	86,6
80,8	100

In den Figuren 8 und 9 sind zwei Varianten für die Vorwärmung und Zuführung der Reaktionsteilnehmer für einen energieerzeugenden Vergasungsreaktor dargestellt.

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 Leitung 20 eingespeist.

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 Brenn- J raum eingedüst. Die Reaktionsgase werden nach Verlassen des

25Brennraums in einer Entspannungsturbine 2 3 entspannt, in Wärmetauscher 21 bis Umgebungstemperatur abgekühlt und in einer Anlage 24 gereinigt und auf den gewünschten Lieferdruck nachkomprimiert.

30Ausführungsbeispiel:

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

35und in einer Menge von ca. 2000 m³/h einem vierzylindrigen

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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. 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 Wärme-

D bedarf 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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Claims

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Patentansprüche

Verfahren zur Umwandlung von Brennstoffwärme in mechanisehe 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, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Arbeltsmedium außerhalb des Motors (3 ganz oder fast auf Kompressionsdruck verdichtet, erhitzt

und in den Brennraum eingelassen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium im Wärmetausch mit den entspannten Reaktionsgasen erhitzt wird.

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3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Umwandlung im Verbrennungsmotor in einem aus zwei Takten bestehenden Arbeitszyklus durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Takt das verdichtete Arbeitsmedium in den Brennraum eingelassen, das

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entstehende Gemisch verbrannt und arbeitsleistend entspannt wird und im zweiten Takt die Reaktionsgase aus dem Brennraum ausgeschoben werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Brennraum des Motors ausge-

schobenen Reaktionsgase zunächst in einer außerhalb des Motors angeordneten Expansionsmaschine arbeitsleistend entspannt werden, ehe sie im Wärmetausch mit dem komprimierten Arbeitsmedium bis etwa auf die Temperatur des komprimierten Arbeitsmediums abgekühlt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit dem komprimierten, erhitzten Arbeitsmedium Wasserdampf in den Brennraum eingelassen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch.gekennzeichnet, daß die wasserdampfhaltigen Reaktionsgase in der Expansionsmaschine auf einen unteratmosphärischen Druck entspannt und nachfolgend auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt werden und der nichtkondensierte Anteil der Reaktionsgase auf Atmosphärendruck rückverdichtet und der Atmosphäre zugeführt wird, während das Kondensat mittels einer Pumpe ganz oder teilweise in den Verbrennungsprozess rückgeführt und überschüssiges oder nicht genutztes Wasser verworfen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid und/oder das Wasser bzw. der Wasserdampf vor dem Einleiten in den Brennraum im Wärmetausch mit den entspannten Reaktionsgasen erhitzt wird, bzw. werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das komprimierte Arbeitsmedium und/oder das Fluid und/oder der Wasserdampf nach der Erwärmung durch die Reaktionsgase und vor dem Einlassen in den Brennraum durch Fremdwärme erhitzt werden.

Form. 5729 7.78
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Arbeitsmedium Luft ist, die mit einem Brennstoff als Fluid verbrannt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft in mehreren Stufen verdichtet und zwischen den Verdichtungsstufen gekühlt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem die ausgeschobenen Reaktionsgase arbeitsleistend entspannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Kompressionsarbeit für die Luftkompression durch die außerhalb des Motors in der Expansionsmaschine gewonnene Arbeit gedeckt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft vor der Verdichtung auf eine unterhalb der Umgebungstemperatur liegende Temperatur gekühlt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung von Wasserdampf in den Brennraum in die komprimierte Luft vor deren Wärmetausch mit den entspannten Reaktionsgasen Wasser einge- düst wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft mit Sauerstoff angereichert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Arbeitsmedium reiner Sauerstoff ist, der zusammen mit Brennstoff als Fluid verbrannt wird.

Form. 572« 7.71
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Sauerstoff, Brennstoff und Wasserdampf so gewählt wird, daß im Brennraum nur eine unvollkommene Verbrennung (partielle Oxidation) stattfinden kann.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Arbeitsmedium ein Brenngas mit niedrigem Heizwert ist, das mit Sauerstoff als Fluid verbrannt wird.
18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17 mit einem Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren, jeweils in einem Gehäuse bewegbaren Kolben und einem durch Gehäuse und Kolben begrenzten Brennraum mit einem Arbeitsmediumeinlaß, einem Brennstoffeinlaß und einem Reaktionsgasauslaß samt Auslaßventil, gekennzeichnet durch wenigstens einen von einer an den Reaktionsauslaß 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.
19. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rekuperator und Arbeitsmediumeinlaß des Brennraums ein Wärmetauscher für eine Erhitzung des Arbeitsmediums mit Fremdwärme angeordnet ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche -8 oder 9, gekennzeichnet durch eine in den Strömungsquerschnitt für komprimiertes Arbeitsmedium vor dem Rekuperator einmündende Eindüsvorrichtung für Wasser.

Form. 5729 7.76

-S-

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21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 15 oder 16, mit einem Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren, jeweils in einem Gehäuse bewegbaren Kolben und einem durch Gehäuse und

5 Kolben begrenzten Brennraum, dadurch gekennzeichnet, daß in den Brennraum Eindüsvorrichtungen für komprimierten, erhitzten Sauerstoff und Wasserdampf münden.

Form. 6729 7.7i