DE3408633A1

DE3408633A1 - Prinzip und anlage fuer isotherme verdichtung von gasen und daempfen

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Publication number: DE3408633A1
Application number: DE19843408633
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. 8060 Dachau Eckert; Heinz 8080 Emmering Grönert; Maximilian Dipl.-Ing. 8911 Windach Hammer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-03-09
Filing date: 1984-03-09
Publication date: 1985-09-19
Also published as: DE3408633C2

Description

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Heinz Grönert Heinrich-Feiler-Str. 8080 Emmering

Emmering, den 16.02.84

Prinzip und Anlage für isotherme Verdichtung von Gasen und Dämpfen 15

Gegenstand der Erfindung sind Prinzip und Anlage einer kontinuierlich arbeitenden Verdrängermaschine mit weitgehendst isothermer Verdichtung oder Expansion.

Schwerpunkt der Anwendung dieser Erfindung ist das Verdichten von Luft, Prozeßgasen, Prozeßdämpfen oder Erdgas für Ansaugvolumina von 0,1 bis ca. 20 m³/sek. und Druckverhältnisse von ca. 4 bis 1Q0.

Das Verdichten von gas- und dampfförmigen Prozeßmedien ist in den meisten der heute angebotenen Kompressionsanlagen durch polytrope Zustandsänderungen gekennzeichnet. Systeme mit hoher Leistungsdichte und großem Gasdurchsatz, wie generell die

Strömungsmaschinen, liegen dabei in der Regel näher zur Adiabate als Verdrängermaschinen mit kleineren Durchsätzen.

Zustandsänderungen bei der Verdichtung von Luft in Verbrennungskraftmaschinen, wie beispielsweise dem Dieselmotor und der

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Gasturbine, sind verfahrensbedingt nahezu adiabatisch. Der Thermodynamik der Gase zufolge sind nun adiabatisch ablaufende Verdichtungen mit einem erheblich höheren Arbeitsaufwand verbunden als isotherme Kompressionsvorgänge. Für die adiabatische Kompression von 100 kg Luft von 1 bar auf 10 bar bei einer Ansaugtemperatur von 15⁰C ist beispielsweise eine Arbeit von 26.920 kJ erforderlich, wenn die bekannte Beziehung

"ad

-1

mit dem Ansaugdruck p1, dem Auspressdruck p2 und dem Ansaugvolumen V1 zugrundegelegt wird. Für die isotherme Kompression ist dagegen nach

^Lisoth.

^V1

In

pT

nur eine Arbeit von 19.030 kJ aufzubringen, was in etwa 70% der adiabatischen Arbeit entspricht.

Hieraus ist unschwer der Anreiz ablesbar, Gase, wenn technisch möglich, isotherm zu verdichten.

übliche Maßnahmen hierzu sind Zwischenkühlung, die sich vor allem bei mehrstufigen Anlagen anbieten. Andere Verdichterbauweisen führen einen Teil der Kompressionswärme über intensive Gehäusekühlung ab. Bei Schraubenverdichtern neuerer Bauart wird versucht, über die zur Schmierung und Abdichtung notwendige Schmiermittelmenge hinaus, zusätzlich öl oder andere geeignete Flüssigkeiten in den Ansaugkanal zu spritzen, um so dem Gas über das zweite Prozeßmedium die Kompressionswärme abzunehmen.

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Bei Strömungsmaschinen ist eine solch stetige, simultan mit

ihrem Entstehen ablaufende Abführung der Kompressionswärme nur schwer zu realisieren. Wenn überhaupt, kommen auch hier meist Zwischenkühler zur Anwendung.
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Mit welcher der bekannt gewordenen Technik in der Verhangenheit auch immer versucht wurde, möglichst nahe der Isothermen zu verdichten, sie waren stets mit komplizierterer Prozeßführung und entsprechend höherem Herste11 aufwand verbunden. Dieser Zusammenhang wird sicher auch bei allen künftigen Versuchen, Gase isotherm zu verdichten, einschließlich des hier vorgeschlagenen, in irgend einem Grade bestehen bleiben.

So münden die ersten Fragen zur Lösung des gestellten Themas in Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen über Kosten und:nutzen einer Umstellung von unbeeinflußt nahe adiabatisch zu aufwandsintensiv isotherm.

Nach diesem Oberblick und einigen Randbedingungen zur vorliegenden Thematik ist erkennbar, daß die Erwärmung des Prozeßgases, abhängig von Verdichterprinzip oder Verdichterbauart, unterschiedlich groß ist. Strömungs- oder Turboverdichter beispielsweise ,erführen bei Umstellung ihrer meist nahe der Adiabate verlaufenden Verdichtung auf isotherm besonders hohe Einsparungen an aufzuwendender Arbeit. Stationäre Gasturbinen, die heute bei der Erzeugung von el. Energie, ihres relativ unbefriedigenden Wirkungsgrades wegen allenfalls bei der Abdeckung von Spitzenbedarf eingesetzt werden, erreichten u.U. bei isothermer Verdichtung Wirkungsgrade, die denen guter Diesel-Kraftmaschinen gleichkommen.

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Auch im Vergleich zu Dampfkraftanlagen ergeben sich für Gasturbinen mit isothermer Verdichtung wirkungsgradmäßig gute Aspekte. Hinsichtlich Herste!!kosten, Baugröße, Wartung und Lebensdauer hätten Gasturbinen dann sowohl gegenüber Diesel als auch Dampfkraftanlagen erhebliche Vorteile.

Weitere interessante Anwendungen der isothermen Verdichtung liegen bei mittleren bis großen Luftkompressoren, bei der Kältemittel kompression und der für Transport und Verteilung erforderlichen Verdichtung von Erdgas oder ähnlich energieintensiven Kompressionsanlagen.

Denkbar ist aber auch der Einsatz solcher Verdichter in modifizierten Kolben-Verbrennungskraftmaschinen, bei denen dann Verdichtung sowie Verbrennung und Expansion nicht mehr in ein- und demselben Zylinder, sondern in dafür eigenen Aggregaten stattfinden. Neben dem Vorteil der geringeren Kompressionsarbeit und einer erweiterten Nutzbarkeit der Abgaswärme, ließe sich bei nahezu gleichbleibender Wellenleistung die Anzahl der Motorzylinder halbieren, da ja die Arbeitstakte Ansaugen und Verdichten in der gesonderten Verdichtereinheit abliefen.

Die eigentliche Aufgabe der Erfindung liegt im Erarbeiten eines geeigneten Systems, mit dem die bei der Kompression von Gasen und Dämpfen entstehende Wärme unmittelbar und kontiuierlich während des gesamten Kompressionsablaufs aus dem Prozeßgas abgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem das Gas bei der Verdichtung in abgestimmten Intervallen wechselweise mit flüssigem Kühlmittel, schmale, spiralförmige Kanäle durchströmt, die Kompressionswärme dabei über die relativ zum Durchflußquerschnitt großen. Oberflächen der Kanalwandung übergibt„und die dann ihrerseits diese Wärme gleich der nachfolgenden Flüssigkeit zuführt.

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Die Wärmekapazitäten der zu komprimierenden Gasblasen und der ihnen folgenden Flüssigkeitsmengen liegen dabei etwa wie 1 : 20 bis 1 : 200 auseinander. So wird die Gastemperatur weitgehendst von der Temperatur der Kühlflüssigkeit bestimmt. Beide erfahren bei einem Zyklus keine nennenswerte Erhöhung der Temperatur.

Die Spiralkanäle sind meist mehrgängig in einem zylinderförmigen Körper angeordnet, der über einer Flüssigkeit rotiert. Die Höhe des Flüssigkeitsspiegels zur Drehachse ist so bemessen, daß die an der Zylinderperipherie liegenden Einströmöffnungen der Spiralkanäle beim Rotieren in die Flüssigkeit eintauchen und dabei eine bestimmte Menge Flüssigkeit schöpfen. Aufgetaucht durchlaufen die Einströmöffnungen den über der Flüssigkeit befindlichen Gasraum und füllen sich bis zum Wiedereintritt in die Flüssigkeit mit Gas. Während dieser Drehung ist die anfangs geschöpfte, durch Schwerkraft unten gehaltene Flüssigkeit, dem Betrag der Spiral Steigung entsprechend, radial zur Achse gehoben worden und befindet sich bereits in der 2. Windung.

Der Vorgang läuft kontinuierlich fort. Flüssigkeit und Gasblasen werden zur Achsmitte der rotierenden Spirale gefördert. Das sich während dieser Kompression kaum erwärmte Gas und die Flüssigkeit können dort getrennt entnommen werden.

Das vorerwähnte, am Kompressionsvorgang beteiligte Heben von Flüssigkeit mittels beschriebener oder ähnlicher Spiralkanäle fand bereits im Altertum breite Anwendung. Das Prinzip ist von solch bestechender Einfachheit, daß auch heute noch ein Großteil der landwirtschaftlich genutzten Felder Ägyptens auf diese Art aus dem Nil und seinen Kanälen bewässert werden.

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Weit weniger bekannt ist indes, daß ein durch "Hochheben" solcher FTüssigkeitsabschnitte verschlossener Spiralkanal die zwischen ihnen eingeschlossenen Gasblasen auf dem Wege radial zur Zylinderachse hin komprimieren kann.

Voraussetzung hierfür ist zum einen, daß das geometrische Volumen der Kanäle nach innen zu kleiner wird und daß zum anderen die Abschnitte der Flüssigkeit wie Kolben durch den Druckanstieg in den Gasblasen aus der Ruhelage ausweichen und so dem Gasdruck ein entsprechendes Moment aus Gewicht und dem Maß ihrer Auslenkung entgegenstellen.

Im Gegensatz zum Wasserschöpfen blieb allerdings dem beschriebenen Prinzip der Gasverdichtung eine breitere Anwendung versagt. Zwischen Aufwand und Leistungsfähigkeit klaffte hier offensichtlich eine zu große Lücke.

Erfindungsgedanke an dieser Stelle ist nun, den vorerwähnten Kompressionsvorgang in einem Rotationssystem ablaufen zu lassen, und die zuvor für Druckerhöhung maßgebliche Erdbeschleunigung hier über die Zentrifugalbeschleunigung in einem die Verdichterspiralen ummantelnden Rotor auf eine u.U. mehr als tausendfache Größenordnung anzuheben. So liegt beispielsweise bei einem Mantel rotor von 1000 mm φ und einer Umfangsgeschwindigkeit von 60 m/sek. ( = 1.150 U/min.), die Zentrifugal beschleunigung bereits bei dem 720-fachen Wert der Erdbeschleunigung.

In dem rotierenden Mantelrotor bildet sich demnach an der inneren Wandung ein Flüssigkeitsring aus beispielsweise Wasser aus. Die wiederum mit dem Rotor drehende und dabei selbst rotierende Verdichterspirale taucht mit den außen liegenden Eintrittsöffnungen der Spiralkanäle in den Wasserring ein, schöpft das Wasser und komprimiert zwischen den einzelnen "F.lüssigkolben", auf dem Wege radial zur Achse der Verdichterspirale, die jeweils eingeschlossenen Gasblasen nun auf technisch gefragte Druckniveaus von 6 oder gar 12 bar.

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Während das verdichtete Gas dem vorgesehenen Zweck zugeführt wird, strömt das Wasser in eine RückfUhrkammer der Verdichterspirale, in der analoge, aber in umgekehrter Richtung verlaufende Spiralkanäle angeordnet sind und wird hier mit jeder Drehung der Verdichterspirale wieder radial nach außen in den Wasserring zurück gebracht.

In den Bildern 1 bis 3 sind einige Bauweisen dieses Kompressionsprinzips schematisch dargestellt.

Bild 1 zeigt das Schema einer exzentrisch parallel zur Achse des Mantelrotors 1 gelagerten Verdichterspirale 2a. Ihre Einströmkanäle tauchen beim Drehen exzenterseitig in den Wasserring 3 ein. Die exzentrische Position der Verdichterspirale erfordert entsprechenden Massenausgleich im Mantelrotor, der im Gehäuse 4 gelagert ist. Vom Motor 5 erfolgt über Verzahnung 6 der Rotorantrieb und über Verzahnung 7 u. 12 der Antrieb der Verdichterspirale. Das Gas wird über 8 in den Rotor gesaugt, im Spiralbereich 9 verdichtet und durch Rohr 10 herausgeführt. Das Wasser fließt über die Rückführspirale 11 zurück. Eine Blende 22 schließt den Gasraum des Verdichterbereichs 9 vom Bereich der Rückführspirale ab.

In der Ausführung Bild 2A und 2B sind die Rotationsachsen der beiden Verdichterspiralen 2b um 90° zur Achse des Mantelrotors verdreht. Beide Achsen kreuzen sich, wodurch anordnungsgemäß keine Massenunwucht vorliegt. Die mit ihrer Drehachse im Mantel rotor gelagerten Verdichterspiralen tauchen beidseitig in den Wasserring 3 ein, so daß auch die Massen der geschöpften Flüssigkeit keine wesentlichen Unwuchten ergeben. Flüssigkeit und komprimiertes Gas werden, durch koaxiale Rohrführungen in den Achsen»getrennt aus den Spiral Verdichtern herausgeleitet.

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Eine planetenartige Anordnung der Verdichterspiralen ist in Bild 3A und 3B aufgezeigt. Sie scheint hinsichtlich Herstellung und Gasdurchsatz eine besonders vorteilhafte Lösung zu sein. Bild 3A gibt den Aufbau im Achsschnitt, Bild 3B im Querschnitt wieder. Die Ziffern bedeuten wie in Bild 1 : Mantel rotor 1, Verdichterspirale 2, Wasserring 3, Gehäuse 4, Motor 5, Rotorantrieb 6, Verdichterspiralenantrieb 7 u. 12, Gas-.eintritt 8, Verdichterbereich der Spirale 9, Gasaustritt 10 und Rückführspirale des Wassers 11.

In größeren Mantelrotoren lassen sich ggfs. 12 oder auch 20 Verdichterspiralen in einer Planetenebene unterbringen. Axial kann ein solcher Rotor bis zu 12 derartiger Planetenscheiben aufnehmen.

Erfindungsgemäßer Sinn und Zweck der Verdichterspirale ist die isotherme Kompression von Gasen und Dämpfen. Die bei der Rotation geschöpften Flüssigkeitsmengen füllen in ihrem Sektor den Kanalquerschnitt voll aus und dichten damit die angrenzenden, unterschiedliche Drücke aufweisenden Gasräume ab. Abhängig von der Volumensänderung und dem sich daraus ergebenden Gasdruck werden die Flüssigkeitsmengen unterschiedlich stark ausgelenkt. In Bild 4 sind die solchermaßen aus der Rotationsebene 19 herausgedrängten Flüssigkeitssäulen 13 der Verdichterspiralen dargestellt. Ihre Grenzflächen, oben 14 und unten 15, sind jeweils Kreisbögen des Rotationssystems. Die Flüssigkeitssäulen sind sozusagen dreidimensional formfreie bewegliche Kolben einer Verdrängermaschine, deren Abdichtfunktion selbst bei hier vorliegenden rechteckigen Kanalquerschnitten keinerlei zusätzliche Dichtelemente erfordert. Sie sind gleichzeitig die ideale, durch die Kompressionskanäle strömende Trägermasse für die stetige, simultane Abführung der bei der Kompression generierten Wärme.

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Die mechanischen Zusammenhänge der erfindungsgemäßen Kompression erklären sich wie folgt.

Mantelrotor und der synchron mit diesem umlaufende Planetenträger mit den einzelnen Verdichterspiralen geben die Voraussetzung für Kompression, sind aber unmittelbar nicht daran beteiligt. Diese setzt ein mit der Eigendrehung der Verdichterspiralen. Antreiben der Verdichterspiralen bedeutet also Kompression. Die dabei in den Spiral kanälen durch Druck der Gasblasen ausgelenkten Flüssigkolben erzeugen das von den Verdichterspiralen zu überwindende oder einzubringende Moment der eigentlichen Kompressionsarbeit. Der Durchsatz der Gasmenge liegt dabei in strenger Linearität zur Drehzahl der Planeten. Da keine Spalt- und Randverluste entstehen können, und auch der Liefergrad nahe eins liegt, sind selbst bei niedrigst denkbarer Planetendrehung entsprechend kleine Liefermengen darstellbar.

Mit dieser eigentlichen Kompressionsmechanik geht verfahrensbedingt ein weiterer, sekundär beteiligter Vorgang einher. Es ist das "Hochheben" der Flüssigkeit, das durch Rotation über die spiral ig schiefe Ebene der Kanäle erbracht werden muß. Diese Arbeit wird jedoch in gleicher Größe, durch das "Absenken" der Flüssigkeit in den bereits erwähnten Rückführkanälen, der Verdichterspirale wieder zugeführt.

Darüber hinaus wirken bei der beschriebenen Verdichtung Corioliskräfte auf die Flüssigkolben. Beim "Hochheben", auf dem Weg vom großen Rotationsradius zum kleineren, versuchen sie über die Verdichterspirale den Mantelrotor zu beschleunigen. Beim "Absenken" der Flüssigkolben, auf dem Weg zum größeren Rotationsradius, versuchen sie wieder über die Verdichterspirale den Mantelrotor zu verzögern. Da beide Richtungen der Corioliskräfte in einer Baueinheit wirken, treten durch sie keine Verlustleistungen auf.

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Wesentliche Voraussetzungen für optimales Arbeiten der Verdichterspirale sind Auslegung und Ausbildung der Spiralkanäle. Sie stehen in Abhängigkeit von Einsatzzweck und Größe des Verdichters und folgen den für dieses System spezifischen Randbedingungen und Vorgaben wie etwa:

- Die Einlaufwindung soll maximal mögliches Volumen aufweisen. Das Verhältnis von Gas- zu Flüssigkeitsvolumen soll in dieser Windung besonders groß sein.

- In den nach innen anschließenden Spiralwindungen erfolgt die Hauptkompressionsarbeit. Das Kanalvolumen ist hierzu überproportional reduziert. Dem höheren Druckanstieg im Sasraum dieser Windungen steht die größere Auslenkung der Flüssigkeitssäulen in Balance. Die hier maximale Länge der Säule wird nach außen zu durch "Undichtwerden", nach innen zu durch "überschwappen" begrenzt. Durch die in diesem Bereich schmaler gewordenen Kanäle verbessern sich gleichzeitig die Wärmeübergangsverhältnisse und kompensieren dadurch den hier größeren Wärmeanfall.

- Der zentralen Sammelbohrung des Spiralrotors zu geht die Drucksteigerung gegen Null. Die kleinere Windungslänge ist durch höhere Kanalquer'schnitte ausgeglichen. Der höchste Punkt der Flüssigkeitssäule soll beim Einströmen in den inneren Sammelraum dessen Flüssigkeitsspiegel nicht mehr wesentlich übersteigen.

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- Die der Rückführspirale innen zugeführte Flüssigkeit soll die ersten Windungen nahezu gasfrei füllen. Dazu ist im Gasbereich des Sammelraumes eine Blende eingesetzt, die den Zutritt von verdichtetem Gas in die Rückführspiralen verhindert. In den nach außen zu anschließenden Spiralwindungen, die ein stetig größer werdendes Volumen aufweisen, soll der noch von innen anstehende Druck abklingen. Da sich nur sehr geringe Gasmengen in den Spiralen befinden, wird der Druckabbau schon durch kleine Auslenkungen der Flüssigkeitssäule erreicht. Im Spiral bereich, in dem der Gasdruck dem Außendruck entspricht, erhält der Gasraum der Spirale Verbindung mit dem Außenraum. In den äußeren Spiralen wirken nur noch die aus dem Absenken der Flüssigkeit resultierenden Momente. Das Rückführsystem benötigt ca. 25 % der Gesamtlänge der Verdichterspirale. 15

Auf Bild 5 ist der konstruktive Aufbau einer Verdichterspirale als Beispiel für planetare Anordnung wiedergegeben. Der Mantelrotor 1 dreht sich um Achse 16. Die Verdichterspirale 2 ist im Schrägkugellager 17 und im Nadellager 18 gelagert. Ihr Antrieb erfolgt über Verzahnung 12. Im Spiralbereich 9 wird das eingeströmte Gas durch die aus dem Flüssigkeitsring 3 geschöpften Flüssigkeitssäulen 13 verdichtet, über das Sammelrohr 20, die Speichenrohre 21 und das zentrale Rohr 10 wird das komprimierte Gas aus dem Rotor geführt. Die Flüssigkeit fließt in die Rückführspirale 11 der Verdichtereinheit und wird dort wieder in den Flüssigkeitsring 2 abgesenkt. Die Blende 22 schließt die Rückführspirale gasseitig vom Verdichterbereich ab. Eine Axialdichtung 23 verhindert im Bereich der Drehdurchführung das Austreten des kompimierten Gases.
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Der erfindungsgemäße "Zentrifugalfeld Fluss igkolben - Verdichter" weist folgende spezifische Merkmale auf:

- Das System arbeitet nach dem Verdrängerprinzip

- Die Verdichtung der Gase verläuft nahezu isotherm

- Der Kompressionsvorgang ist stetig
10

- Die Vielzahl der Spiralkanäle garantiert kontinuierliche Ansaugströmung und konstante, oberwellenfreie Betriebsdrücke

- Die vom Flüssigkolben übernommene Kompressionswärme wird im Flüssigkeitsring des Mantelrotors durch dort installierte kühlwasserdurchströmte Wärmetauscher, aus dem Rotor geführt

- über Schaltgetriebe ist die "Schöpfdrehzahl" der Verdichterspiralen und damit der Gasdurchsatz in weiten Grenzen regelbar. Stehen sie still, treten nur die Verluste des Mantelrotors auf

Die bereits eingangs aufgezeigten Vorteile von isothermer zu adiabatischer Verdichtung liegen in einem auf ca. 70 % reduzierten Arbeitsaufwand. Ist jedoch eine isotherme Verdichtung Bestandteil eines Kraftmaschinenprozesses, gewinnt sie weiteren Wert. Dies sei am Beispiel eines Gasturbinenprozesses näher erläutert.

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Zur Anhebung des Wirkungsgrades wird vielfach ein Teil der Abgaswärme von Gasturbinen rekuperativ dem verdichteten Prozeßgas übertragen. Um den Betrag der hier eingebrachten Wärmemenge läßt sich dann bei gleichbleibender Wellenleistung die der Brennkammer zuzuführende Energie vermindern. Hat nun das Prozeßgas, adiabatischer Verdichtung zufolge, eine merkliche Temperaturerhöhung erfahren, läßt sich Abgaswärme nur noch begrenzt oder garnicht mehr rekuperieren. Bei isothermer Verdichtung hingegen kann die Wärmemenge, die der Temperaturdifferenz von adiabatisch zu isotherm entspricht, zusätzlich dem Abgas entnommen und dem Prozeß als voll nutzbare Wärme zugeführt werden.

In Tabelle 1 sind Leistungen, Verluste, Wirkungsgrade und andere Kenndaten einer Industrie-Gasturbine eines namhaften europäischen Herstellers, mit einer Generator-Klemmenleistung von 1.650 kW den Daten einer leistungsgleichen Gasturbine mit isothermer Verdichtung gegenübergestellt. Statt des üblichen Turbokompressors ist ein der Erfindung zugrundeliegender "Zentrifugalfeld-Flüssigkolben-Verdichter" eingesetzt. Das Prinzip ist in Bild 6 aufgezeigt.

Die Temperaturen darin sind der Tabelle 1 entsprechend mit T, bis T. gekennzeichnet. Die weiteren Buchstaben bedeuten Ansaugluft E, Zentrifugalfeld-Flüssigkolben-Verdichter Z, Rekuperator R, Brennkammer B, Turbine Tu, Generator G, Kühlung K und Abgas A.

Auf Bild 7 sind isotherme und adiabatische Kompression in einem TS-Diagramm gegenübergestellt.

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Luftdurchsatz und Klemmenwirkungsgrad der Tabelle 1 bringen den Vorteil der isothermen Verdichtung sehr anschaulich zum Ausdruck. Der erforderliche Luftdurchsatz sinkt danach von 13,5 auf 7,7 kg/s, demnach auf 57 % des Ausgangswertes. Der Wirkungsgrad an den Klemmen des Generators steigt von 22,5 auf 38,6 % um den beachtlichen Faktor von 1,73.

Prozeßdaten	¹O	Anlage mit adiabatischer Kompression	1,	,5	Anlage mit isothermer Kompression	,7
Klemmenleistung (kW)	O	1.650	99,	,5	1.650	,6
Luftdurchsatz (kg/s)	C)	13	95		7
Klemmenwirkungsgrad (%)	C)	22	-		38
Verdichtungsverhältnis		7	95		10
Ansaugtemperatur (⁰C)		15			15
Verdichteraustrittstemp. (°		292		50
Brennkammerei ntri ttstemp.(°		292		320
Turbineneintrittstemp. (°		800		800
Turbinenaustrittstemp. (°		435		387
Abgastemp. (⁰C)		435		117
Turbinenwirkungsgrad {%)		80		80
Verdichterwirkungsgrad (%)		77	,0	85	,08
Rekuperatorwirkungsgrad (%)	-	,5	80	,5
Druckverlustbeiwert		1,
Brennkammerwirkungsgrad {%)		99,
mech. Wirkungsgrad (%)		94
Lüfter für Kühlung (%)	98
Generatorwirkungsgrad (%)	95

Tabelle

Die Abmessungen eines Zentrifugalfeld-Flüssigkolben-Verdichters für vorerwähnten Luftdurchsatz von 7,7 kg/s sind natürlich größer als die eines Turboverdichters mit 13,5 kg/s. Nach vorliegenden Berechnungen sind für einen solchen Luftdurchsatz im erfindungsgemäßen Verdichter etwa 80 Verdichterspiralen mit einem φ von 240 mm und einer Einbaulänge von ca. 400 mm erforderlich. Sie ließen sich in Erweiterung von Bild 3 vorteilhaft in 8 Reihen zu je 10 Planeten anordnen. Die Baumaße dieses Verdichters liegen dann etwa bei einem φ von 1.100 mm und einer Länge von 3.500 mm.

In Tabelle 2 sind die Kenndaten einer Gasturbine mit isothermer Verdichtung zusammengestellt, die bei gleichem Luftdurchsatz mit einer von 800⁰C auf 950⁰C angehobenen Turbineneintrittstemperatur betrieben wird. Parallel zur Steigerung der Klemmleistung von 1.650 kW auf 2.115 kW steigt der Wirkungsgrad an den Generatorklemmen hierbei von 38,6 % auf 43 %, eine Größenordnung, die der guter Diesel aggregate entspricht.

Anhand eines zweiten Beispiels soll gezeigt werden, daß mit dem hier beschriebenen Zentrifugal feid-Flüssigkolben-Verdichter auch die Verdichtung der Verbrennungsluft von Kolben-Verbrennungskraftmaschinen isotherm erfolgen kann. Beim Diesel allerdings soll ja in voller Absicht ein Großteil an Wärme der zur Selbstzündung erforderlichen Temperatur aus der Kompression, also aus hochwertiger, in der Regel mit größeren Verlusten erzeugten mechanischen Energie bezogen werden. Streng genommen ist daher ein Kraftprozeß mit isothermer Verdichtung nicht mehr voll mit dem Dieselprinzip vereinbar. Eine isotherme Verdichtung mit typischen Kolben-Verbrennungskraftmaschinen ist schließlich auch deshalb nicht durchführbar, da Verdichtungstakt und Arbeitstakt in ein und demselben Zylinder ablaufen. Isotherme Verdichtung kann allerdings in einer selbstzündenden Kolben-Verbrennungskraftmaschine dann verwirklicht werden, wenn sie zum einen außerhalb der Kolbenmaschine in einem

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Leistung und Durchsatz	^NK1 ■	2.115	kW
Klemmenleistung	m =	7,7	kg/s
Luftdurchsatz
Temperaturen und Druckverhältnis	tr =	10
Verdichtungsverhältnis	f	1,08
Druckverlustbeiwert	^T1 -	15	⁰C
Ansaugtemperatur	^T2 =	50	⁰C
Verdi chteraustri ttstemperatur	^T2 ⁼	393	⁰C
Brennkammereintrittstemperatur	^T3 *	950	⁰C
Turbi nenei ntri ttstemperatur	^T4 ⁼	479	⁰C
Turbinenaustrittstemperatur	^T4 ⁼	136	⁰C
Abgastemperatur
Wirkungsgrade	">K1 ⁼	43	%
Klemmenwi rkungsgrad	^T	80	%
Turbinenwirkungsgrad	%	85	%
Verdi chterwi rkungsgrad	%	80	%
Rekuperatorwirkungsgrad	^Br ⁼	99,5	Ol Io
Brennkammerwirkungsgrad	\u ⁼	99	O/ la
Lüfter für Kühlung	^m	94	Ol Io
mechanischer Wirkungsgrad		95	⁰I Io
Generatorwi rkungsgrad

Tabelle

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eigenen Aggregat nach dem hier beschriebenen Verfahren erfolgt. Zum anderen muß die nach dem Verdichter relativ kalt gebliebene Verbrennungsluft rekuperativ durch Abgaswärme bis nahe Zündtemperatur aufgeheizt und in diesem Zustand, kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens, in den Zylinder gepreßt werden. Durch das Einpressen der hochverdichteten, heißen Luft werden die noch im Zylinder befindlichen verbrannten Gase herausgespült. Ein geringerer Druckanstieg kann erforderlichenfalls noch nach dem Schließen von Auslaß- und Einlaßventil hier im Zylinder erfolgen, nahezu zeitgleich mit der Injektion des Kraftstoffes. Nach dem dann ablaufenden Arbeitstakt stößt der Kolben beim Aufwärthub die verbrannten Gase aus, und in Höhe des oberen Totpunkts beginnt bereits wieder das Einpressen der Gase für den nächsten Arbeitstakt. Die innerhalb einiger Millisekunden in den Zylinder einzubringende hochverdichtete Verbrennungsluft kann über Steuerungen von Hülsenschiebern erfolgen, ähnlich wie sie an Bristol-Siddeley-Flugmotoren bereits angewandt worden sind.

Die thermische Belastung dieser Maschine, in der bei jedem 2. Takt Verbrennungsgase expandieren, liegt sicher höher als die der Viertaktmaschine. Andererseits benötigt sie bei nahezu gleichbleibender Wellenleistung aber auch nur den halben Hubraum. Die sich daraus ergebenden Einsparungen an Kosten und Gewicht liegen ungleich höher als die des zusätzlichen Aufwands der gesonderten Verdichteranlage. Der erforderliche Rekuperator findet Kostenkompensation, da er gleichzeitig als Schalldämpfer fungiert.

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Da das Arbeitsvermögen der Verbrennungsgase beim Dieselprozeß wesentlich höher liegt als das einer Gasturbine und da des weiteren der Luftüberschuß bei Dieselmotoren im Mittel nur 2/3 des Luftüberschusses von Gasturbinen ausmacht, können hier kleinere Baugrößen der gesonderten, nach vorliegender Erfindung isotherm arbeitende Verdichteraggregate die benötige Luftmenge bereitstellen. Die genannte Baugröße von 1.100 nun φ und 3.500mm Länge reichte aus, um eine Kolbenverbrennungsmaschine mit mehr als 5.000 kW Generatorklemmenleistung mit Luft zu versorgen.

Die Verdichtung auf das hier erforderliche »von ca. 55 erfolgt zweistufig. 7 der 8 Planetenscheiben mit je 10 Verdichterspiralen arbeiten dabei in der Grundstufe. Die 8. Planetenscheibe, abgedichtet zum Hauptraum des Mantel rotors, komprimiert das Gas auf den geforderten Druck von beispielsweise 55 bar.

Nach einem Vergleich auf der Basis eines Seiligerprozesses zwischen einer Diesel kraftmaschine und der gemäß vorliegender Erfindung modifizierten Maschine, mit isothermer Verdichtung und rekuperativer Nutzung der Abgaswärme, läßt sich der thermische Wirkungsgrad von beispielsweise 46 % beim turbogeladenen Diesel auf etwa 50 % bei der vorgeschlagenen Kolben-Verbrennungskraftmaschine steigern.

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Claims

Heinz Grönert Heinrich-Feller-Str. 5 8080 Emmering Emmering, den 16.02.84 Patent a nsprüche

1. Prinzip, Verfahren und Anlage zum Verdichten von Gasen und Dämpfen durch Verdrängen, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrifugalkraftfeld eines rotierenden Mantel -

rotors (1) darin befindliche Verdichterspiralen (2), und der Flüssigkeitsring (3) synchron mit umlaufen, daß dann ein in den Mantel rotor hineingelassenes gasförmiges Medium zu seiner Verdichtung kontinuierlich, aber in abgestimmten Intervallen, wechselweise mit aus dem Flüssig

keitsring (3) geschöpfter Flüssigkeit, schmale, spiral ige Kanäle der zusätzlich um die eigene Achse rotierenden Verdichterspirale, von der Peripherie aus zur Achse hin, durchströmt, das dabei in den nach innen zu kleiner werdenden Kanal Volumina, zwischen den Flüssigkeitssäulen (13),

durch deren Auslenkung aus der Schwerpunktslage (19), Druckanstieg erfährt und daß gleichzeitig dem Gas beim Durchströmen der schmalen Kanäle der Verdichterspirale die bei der Kompression entstehende Wärme entnommen und unmittelbar und stetig den mitströmenden Flüssigkeits

säulen übertragen wird, wodurch der Prozeß quasi-isotherm verlauft.

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2. Prinzip, Verfahren und AnTage nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß das Durchströmen von Gas und Flüssigkeit durch die Kanäle der Verdichterspirale (2) eine Relativbewegung zwischen der im Mantel rotor in Umfangsrichtung nahezu ruhendenFlüssigkeit und der sich beim

Schöpfen durch diese ruhende Flüssigkeit bewegenden Kanäle der Verdichterspirale (2) darstellt.

3. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wechselweise Durchströmen von Flüssigkeit und gasförmigem Medium durch die Kanäle der Verdichterspirale (2) durch die Eigenrotation der Verdichterspirale im Mantelrotor bewirkt wird, bei der die an der Peripherie liegenden Einströmöffnungen der Kanäle, stetig wechselnd, den Flüssigkeitsring (3) an der Mantel -

rotorinnenwandung und, nach innen zu, den mit Prozeßgas gefüllten Mantelrotorraum durchlaufen.

4. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 3, da-

durch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Mantelrotor (1)

durch dessen Rotation eine hohe Zentrifugalbeschleunigung erfährt, die beispielsweise bei einem Mantelrotor - φ von 1.000 mm und einer Drehzahl von 1.150 U/min bereits dem 720 fachen der Erdbeschleunigung entspricht, die dann von den Verdichterspiralen beim Schöpfen, oder anschaulicher,

beim Herausheben der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsring (3), zu überwinden ist.

5. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Flüssigkeitsring (3) herausgeschöpfte Flüssigkeit, auch im Spiralkanal der synchron mit Mantelrotordrehzahl umlaufenden Verdichterspirale (2), der Zentrifugalbeschleunigung des Mantel rotors ausgesetzt ist, und damit versucht, in jeder Windung der Verdichterspirale (2), auf dem Weg nach innen,

den jeweils äußersten Raum der Kanalwindung, auf die Achse des Mantelrotors bezogen, auszufüllen.

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6. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina der Spiralkanäle der Achse der Verdichterspirale (2) zu kleiner werden und dadurch das von Windung zu Windung von Flüssigkeit eingeschlossene Gas komprimieren.

7. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Spiral kanälen nach innen zu ansteigende Gasdruck die Flüssigkeit aus ihrer Rotationsebene in Richtung Eintrittsöffnung, bzw. in Richtung niedrigeren Drucks auslenkt, und diese ausgelenkten Flüssigkeitssäulen (13), in Abhängigkeit von Masse und Auslenkung, dem Gasdruck die Balance halten.

8. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckanstiege in den einzelnen Windungen der Verdichterspirale (2) sich zum Gesamtdruck, der im Sammelrohr (20) vorliegt, summieren.

9. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Moment der aus dem Gasdruck resultierenden Auslenkung der Flüssigkeitssäulen (13) dem antriebsseitig aufzubringenden Moment der eigentlichen Kompressionsarbeit entspricht.

10. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Sammelrohr (20) der Verdichterspirale (2), infolge der auch hier wirkenden Zentrifugalbeschleunigung des Mantelrotors (1), den Bereich der größeren Mantelrotorradien einnimmt, das verdichtete

Gas hingegen den Bereich zur Achse des Mantel rotors zu ausfüllt.

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11. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete gasförmige Medium, durch die Zentrifugalbeschleunigung von der Flüssigkeit getrennt, über Speichenrohre (21) und ein zentrales Rohr im Mantelrotor (1) aus dem Verdichtersystem geführt

wird.

12. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kompressionsbereich (9) der Verdichterspirale (2) hochgehobene Flüssigkeit im

Sammelrohr (20) zur Rückführspirale (11) der Verdichterspirale (2) fließt und dort über analoge, aber in umgekehrter Richtung verlaufene Spiralkanäle wieder in den Flüssigkeitsring (3) abgesenkt wird.

13. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende 22 im Sammelrohr (20) der Verdichterspirale (2) den Gasraum des Verdichterbereichs (9) zur Rückführspirale (11) abschottet, so daß keine nennenswerte Menge des verdichteten Gases in den

Rückführraum gelangt.

14. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitssäulen (13) in den Kanälen der Verdichterspirale (2) wie dreidimensional

formfreie bewegliche Kolben einer Verdrängermaschine, ohne zusätzliche Dichtelemente, die Gasräume der Verdichterspirale (2) hermetisch abschließen und dadurch Spalt- und Randverluste ausschließen.

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15. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wechselnd mit Gas und Flüssigkeit durchströmten Kanäle der Verdichterspirale (2) neben ihrer Aufgabe als Kompressionsraum gleichzeitig als ideale Regenerativ-Wärmetauscher fungieren, in denen die

Kompressionswärme, durch niedrige Kanal höhe unter günstigen Wärmeübergangsbedingungen, in die Kanalwandungen übergeht und von dort den unmittelbar nachfolgenden Flüssigkeitssäu1en zugeführt wird.
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16. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekapazitäten der zu komprimierenden Gasblasen und der ihnen in den Kanälen der Verdichterspirale (2) nachfolgenden Flüssigkeitssäulen mit etwa 1 : 20 bis 1 : 200 soweit auseinanderliegen, daß

die Gastemperatur weitgehendst von der Temperatur der Flüssigkeit bestimmt wird.

17. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 16, da-

durch gekennzeichnet, daß die von den Flüssigkeitssä'ulen (13)

übernommene Kompressionswärme über die Rückführspirale (11) in den Flüssigkeitsring (3) des Mantelrotors (1) gelangt, und über dort installierte, mit dem Mantel rotor rotierende Wärmetauscher sowie das diese durchströmende Kühlwasser aus dem Rotor herausgeführt wird.

18. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die am Kompressionsvorgang dieses Verfahrens beteiligte Flüssigkeit beispielsweise Wasser, eine Emulsion, Kältemittel, flüssiges Metall oder

eine andere für den jeweiligen Prozeß geeignete organische bzw. anorganische Verbindung sein kann, die vorteilhafterweise hohe Dichte und geringe Viskosität aufweist.

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19. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse der Verdichterspirale (2a) exzentrisch parallel zur Achse des Mantel rotors (1) angeordnet ist.
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20. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in anderer Ausführung die Rotationsachsen der Verdichterspiralen (2b) um 90 ° zur Achse des Mantelrotors (1) verdreht liegen, beide Achsen sich kreuzen und damit anordnungsgemäß keine Massenunwucht vor

liegt, daß zum anderen die peripherieseitig liegenden Einströmöffnungen der Verdichterspiralen beidseitig in den Flüssigkeitsring (3) eintauchen₉und dadurch auch die Massen der geschöpften Flüssigkeit keine wesentlichen Unwuchten erzeugen.

21. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verdichterspiralen (2c), z.B. 2 bis 20, in einer Ebene planetenartig im Mantel rotor (1) angeordnet sind.

22. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 18 und Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Mantel rotor (1) die planetenartige Anordnung der Verdichterspiralen (2c), axial in mehreren Ebenen, z.B. 2 bis 12, er

folgen kann.

23. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 22_S dadurch gekennzeichnet, daß bei höheren Verdichtungsverhältnissen ein Teil der Verdichterspiralen oder eine ganze Pla

netenscheibe des Mantelrotors als 2. Verdichtungsstufe angeordnet und geschaltet ist.

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24. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 23 dadurch genkennzeichnet, daß der Antrieb der im Mantelrotor (1) drehenden Verdichterspiralen (2) über Getriebeanordnung (7,12) erfolgt.

25. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichterspiralen (2) in Abstimmung von Durchmesser und Steigung der Spiralen mehrgängig, z.B. 2- bis 10-gängig ausgeführt sind.

26. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalvolumen der Verdichterspirale (2), ausgehend von den Einströmöffnungen, hin zur Achse, in der äußeren Spiralwindung nur wenig abnimmt, im mittleren Abschnitt, im Bereich der Hauptkompressionsarbeit

die stärkste Reduzierung erfährt und in den inneren Windungen, nahe der Achse, wieder geringere Volumensabnahme vorliegt.

27. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumensabnahme in den Kanälen der Verdichterspirale (2), von außen nach innen, zum einen durch die nach innen zu kleiner werdende Kanallänge je Windung erfolgt, zum anderen, je nach Ausführung, durch eine Reduzierung der Kanal breite als auch der Kanal höhe.

28. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß in den inneren Windungen der Rückführspirale (11) der Verdichtereinheit (2), das Kanalvolumen nach Maßgabe des angestrebten Druckabbaus im Gas zunimmt,

und vom Punkt aus, an dem der Gasdruck dem Außendruck entspricht, die Kanalform so gestaltet ist, daß die Flüssigkeit den Spiral kanal nicht mehr abdichtet.

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29. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 28 dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere zur Verdichtung von Luft, Prozeßgasen, Prozeßdämpfen, inerten Gasen und Erdgas ausgezeichnete Eignung und große Anwendungsbe-

5' reiche gegeben sind, die Energieeinsparung von volks

wirtschaftlich interssanter Höhe bedeuten.

30. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 29 dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anwendung in einem Gasturbinenprozeß, zu den Vorteilen des geringeren Ar

beitsaufwands W)n isothermer Verdichtung gegenüber adiabatischer, ein größerer Anteil der sonst verlustigen Abgaswärme in den Prozeß rekuperiert werden kann, wodurch sich Klemmenwirkungsgrade von Gasturbinen in Kraftwerksanlagen um mehr als den Faktor 1,7 verbessern lassen.

31. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Anwendung einer gesonderten Verdichtereinheit vorliegenden Prinzips in Kolben-Verbrennungsmaschinen mit Selbstzündung des eingespritzten Kraft

stoffs ein neuartiges, vom Dieselverfahren abweichendes Konzept darstellt, bei dem die außerhalb des Motorzylinders isotherm hoch verdichtete und weitgehendst rekuperativ aus Abgaswärme auf Selbstzündungstemperatur erhitzte Verbrennungsluft beim Ausschiebehub kurz vor Erreichen

des oberen Totpunktes stoßartig durch Ventil schlitze in den Zylinder einströmt, restliches Abgas durch die Auslaßventile herausdrückt und nach dem Schließen der Aus- und Einlaßventile mit dem dann eingespritzten Kraftstoff reagiert.

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32. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anwendung als gesonderte Verdichtereinheit in einem selbstzündenden, aber abweichend vom Dieselprinzip arbeitenden Verbrennungsmotor,die zur Selbstzündung erforderliche Temperatur der

quasi-isotherm verdichteten, also kalt gebliebenen Verbrennungsluft zum weitgrößten Teil rekuperativ aus der Abgaswärme erhält.

33. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anwendung als gesonderte Verdichtereinheit in einem selbstzündenden Verbrennungsmotor, sich dessen spezifische Leistung je Zylinder, infolge Fortfalls der beiden Takte Ansaugen und Komprimieren, nahezu verdoppelt und die Herste!!kosten des nur

noch für Verbrennung und Expansion zuständigen Motors nahezu halbiaren.

34. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei einer Anwendung als geson

derte Verdichtereinheit in einem selbstzündenden Verbrennungsmotor, der Wirkungsgrad von beispielsweise 46 % auf etwa 50 % steigern läßt.

35. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß durch Umkehr des Verfahrensablaufs aus dem isotherm arbeitenden Verdichter eine isotherm arbeitende Expansionsmaschine wird.

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36. Prinzip, Verfahren und Anlage nach Anspruch 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß bei Expansion von gasförmigen Medien Druckgas ins Sammelrohr (20) einströmt, im Bereich (9) der "Expanderspirale" (2) expandiert, wobei dem Prozeßgas ständig Wärme aus der heißen Flüssigkeit übertragen wird, der Flüssigkeit dann im Flüssigkeitsring (3) des Mantelrohres (1) Wärme von außen zugeführt wird, und die Rückführspirale (11) die Flüssigkeit wieder in das Sammelrohr hochhebt. 10

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