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Kraftmaschinenanlage. Bekanntlich gilbt die Veränderbarkeit der Leistung,
die Einfachheit der Geschwindigkeitsreglung und die Umkehrbarkeit der Drehrichtung
der Dampfmaschine den Vorrang gegenüber irgendeiner anderen Kraftmaschine, besonders
bei allen Anwendungen (wie Zugförderung auf Schienen und Straßen, Lasthebung, Seefahrt,
Walzwerkbetrieb), bei welchen Leistungsveränderung und rasche Umkehrung häufig geschehen,
und in Fällen, in denen die durch die Kraftmaschine entwickelten Drehmomente in
umgekehrtem Verhältnis zur Geschwindigkeit stehen sollen.
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Hingegen ist die Dampfinaschine, besonders in den Fällen, in denen
es unmöglich ist, mit Kondensation zu arbeiten (wie bei Lokomotiven, Walzwerken
und bei Hämmern), nicht die wirtschaftlichste @K#mftquelle, 'weil der
Abdampf
den weitaus größten Teil der Wärme mit sich nimmt, die für Dampferzeugung im Kessel
aufgewandt werden muß.
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Es ist eine bekannte Tatsache, daß in einer Auspuffmaschine der gesamte
thermischeWirkungsgrad s Prozent nicht übersteigt.
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Außerdem sind die Dampfkessel sehr schwer und verursachen große Unterhaltungs-und
Wiederherstellungsausgaben, insbesondere wenn sie, wie es bei Lokomotiven und Kriegsschiffen
verlangt wird, großen Drücken und hohen Temperaturen gewachsen sein müssen.
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Anderseits haben die Verbrennungskraftmaschinen, welche thermische
Wirkungsgrade über 30 Prozent erreichen können und daher für Bahnbetrieb und Seefahrt
geeignet wären, den Nachteil, für die Umkehrurig der Drehrichtung und für Geschwindigkeitsänderungen
wenig geeignet zu sein, wenn sie nicht mit Wechselgetrieben und Reibkupplungen,
die auch den Leerlauf erlauben, versehen sind.
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Wenn nun auch die Anwendung von Wechselgetrieben hinsichtlich Abmessungen,
Gewicht und Betriebsisicherheit bei Motorwagen mit beschränkter Leistung durchführbar
ist, so ist sie nicht mehr möglich, sobald es sich uni die großen Leistungen der
Lokomotiven, Schiffs-, Förder- und Walzwerkmaschinen handelt.
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Das Problem, die Vorteile der beiden Typen, d. b. die Ökonomie der
Verbrennungsmaschinen und die Elastizität der Dampfmaschinen, zu vereinigen, ist
Gegenstand der Erfindung und ist dadurch gelöst, daß der Dampf als Mittel zur Übertragung
der Energie von einer Verbrennungsmaschine auf eine Dampfmaschine benutzt wird.
An Stelle des Dampfes kann gegebenenfalls auch ein anderes gasförmiges Mittel benutzt
werden, das in einer der Dampfmaschine gleichgebannten Kraftmaschine zur Wirkung
kommt. Die Energieübertragung erfolgt in der Weise, daß die zugeführte mechanische
Energie zur Kompression des in beständigem Kreislauf durch die Dampfmaschine gehenden
Dampfes benutzt wird.
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Es ist bei Dampfmaschinenanlagen bekannt, einen Teil des im Kessel
erzeugten Dampfes zum Antrieb einer Kompressormaschine zu benutzen, um mit deren
Hilfe den übrigen der Kraftmaschine zugeführten Teil des Dampfes auf höhere Spannung
zu bringen; auch ist schon vorgeschlagen worden. den Auspuffdampf einer Kolbenmaschine
teilweise oder ganz einer Dampfturbine zuzuführen zwecks Antriebs eines Kompressors,
mittels dessen der übrige Auspuffdampf bzw. eine gewisse einer Zwischenstufe entnommene
Dampfmenge beständig auf den für die Speisung der Kolbenmaschine erforderlichen
Anfangsdruck zurückkomprimiert wird. Bei diesen Anlagen handelst es sich jedoch
um reine Dampfkraftbetriebe, bei denen die Verbrennungswärme des Heizmittels ausschließlich
zur Dampferzeugung benutzt wird und dauernd ein der abgegebenen mechanischen Leistung
entsprechender Dampfverbrauch stattfindet.
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Von den bekannten Anlagen unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand
dadurch, daß als Antriebsmaschine eine leicht umsteuerbäre Dampfmaschine verwendet
wird, während der Antrieb des Kompressors für den zu verdichtenden Abdampf durch
einen nicht oder weniger leicht umsteuerbaren, aberwirtschaftlicher als eine Dampfmaschine
arbeitenden Motor erfolgt. Als Motor dieser Art kommt in erster Linie eine Verbrennungskraftmaschine
in Betracht, des ferneren eine W asserkraftmaschine oder irgendeine Kraftanlage,
deren Leistung elektrisch oder hydraulisch übertragen werden kann.
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Der Erfindungsgegenstand bietet den Vorteil, daß dem Kreisprozeß des
Dampfes außer zum Anlassen und zum Ausgleich der durch Urdichtigkeit entstehenden
Dampfverluste während des Arbeitsprozesses kein Frischdampf für die Arbeitsleistung
selbst aus der Kesselanlage zugeführt zu werden braucht. Letztere kann daher, da
sie nur zum Anlassen und für die gekennzeichneten Dampfverluste benötigt wird, sehr
klein ausgeführt werden.
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Die Zeicbnung veranschaulicht in schematischer Darstellung eine nach
der Erfindung arbeitende Anlage, in welcher A die Dampfnraschine, B ein Sammelgefäß
für den Unterdruckdampf, C ein solches für den Hochdruckdampf, D den Dampfkompressor,
E die Verbrennungskraftmaschine und F einen kleinen Dampfkessel darstellt.
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Die Verbrennungskraftmaschine E treibt den Dampfkompressor D, welcher
aus dem Niederdruckgefäß B den Abdampf der Dampfmasohine A ansaugt und ihn in das
Hochdrucl{:gefiiß C drückt, von welchem der Dampf Jer Dampfmaschine A von neuem
zuströmt und .sie betreibt, gleichsam als wenn er von eineniDanlpfkesselkommen würde.
Der kleine Kessel F dient dazu, die vier im Kreise durchlaufenen Teile der Anlage,
nämlich Dampfmaschine A, Niedrdruckbehälter B, Kompressor D, Hochdruckbehälter C
und deren Verbindungsrohre, im voraus mit Dannpf zu füllen und hat außerdem den
Zweck, die Dampfverl:uste in den Stopfbüchsen usw. zu ersetzen. Der Kessel kann
finit irgendeinem Brennstoff oder auch zweckmäßig mit den Auspuffgasen ler Verbrenmun,-s!kraftmaschine
E geheizt werden.
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Auf diese Weise wird die von der Venbrennungskraftin aschine entwickelte
Energie in
dem vom Kompressor verdichteten Dampf aufgespeichert
und .durch denselben Dampf an die Dampfmaschine übertragen. Es geht ferner die Wärme,
die der Dampf beim Austritt aus der Dampfmaschine noch besitzt, nicht durch Abgabe
an die Atmosphäre oder an den Kondensator verloren, sondern bleibt in dem Wärmeprozeß
erhalten. Um den Dampf wieder arbeitsfähig zu machen, genügt es, eine entsprechende
Kompressionsarbeit auszuüben.
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Es ist klar, daß die für die Verdichtung eines Kilogramms Dampf in
dem Kompressor notwendige indizierte Arbeit gleich sein würde der während der Expansion
in der Dampfmaschine entwickelten induzierten Arbeit. Der indizierte Wirkungsgrad
der Übertragung oder das Verhältnis zwischen den zwei erwähnten indizierten Arbeiten
könnte daher gleich I gesetzt werden.
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Der effektive Wirkungsgrad der Übertragung oder das Verhältnis zwischen
den zwei effektiven Arbeiten - der vom Kompressor verbrauchten bzw. von der Verbrennungsknaftmaschine
geleisteten und der von der Dampfmaschine entwickelten bzw. den Lokomotivrädern
oder den Schiffsschrauben zugeführten Arbeit-, dieser Wirkungsgrad würde von der
Güte der mechanischen Konstruktion der beiden Maschinen - Kompressor und Dampfmaschine
- abhängen.
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Selbstredend können die Druckverluste zwischen den beiden erwähnten
Maschinen, die der Einfachheit halber gleich Null gesetzt werden, nie gänzlich vermieden
werden, wie auch in jedem anderen Energieübertragungssystem.
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Diese Verluste können nun auf das Geringste beschränkt werden, indem
man sich bemüht, nicht nur die Rohr-, Ventil- und Steuenungswiderstände, sondern
auch die Kompressionsarbeit, welche der Dampf im Kompressor aufnimmt, gegenüber
der Expansionsarbeit, liederselbe Dampf in der Dampfmaschine entwickeln wird, mach
Möglichkeit zu venmindern. Daher ist es vorteilhaft, den Niederdnuckbehälter B etwas
abzukühlen, um beim Kompressoreintritt den spezifischen Gehalt an Dampf (wenn naß)
oder seine Temperatur (wenn überhitzt) und somit in beiden Fällen sein spezifisches
Volumen zu verringern. Ebenso ist es zweckmäßig, den Hochdruckbehälter C etwas zu
erwärmen, um beim Dampfmaschineneintritt den spezifischen Gehalt an Dampf (wenn
naß) oder seine Temperatur (wenn überhitzt) und somit in beiden Fällen sein spezifisches
Volumen zu vergrößern. Auf diese Weise wird die von jedem Kiloramm Dampf in der
Dampfmaschine entwickelte Arbeit vermehrt und die dem Kompressor zuzuführende Arbeit
verringert. Dieser Erfolg ist leicht erreichbar durch Abkühlung des Niederdruckbehälters
mit Luft (ähnlich wie bei Automobilradiatoren) oder mit Wasser und durch Erwärmung
des Hochdruckbehälters mit den Auspuffgasender Verbrennungskraftmaschine oder durch
Heizung mit irgendeinem Brennstoff.
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Auf Lokomotiven und Schiffen können die Verbrennungskraftmaschine,
der Kompressor und die Behälter an Stelle der neun überflüssigen Kessel installiert
werden, und auf Schiften können auch die Kondensatoren sowie die Luft- und Zirkulationspumpen
abgeschafft iwerden.
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Selbstverständlich ist diese Energieübertragung vermittels Dampfes
mit allen Dampfmaschinernarten (Kolbenmaschinen oder Turbinen) ausführbar. Ebenso
kann die Dampfverdichtung durch einen Kolben- oder Turbokompressor bewirkt und für
den Antrieb des Kompressors anstatt der Verbrennungskraftmaschine gegebenenfalls
irgendein anderer Motor, wie z. B. eine elektrische oder auch hydraulische Maschine,
verwendet werden.
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Auf nach diesem System umgebauten Lokomotiven können für den Dampfkompressorantrieb
elektrische, und zwar einphasige Asynchronmotoren mit unmittelbarer Zuführung der
Fahrdrahtspannung, also ohne Transformatoren Anwendung finden.
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Schließlich können bei Fördermaschinen und Hämmern, die sich in der
Nähe von Wassergefällen befinden, für den Dampfkompressorantrieb #hvdrauliseheMotoren
benutzt werden.