DE3841876A1

DE3841876A1 - Heat engine

Info

Publication number: DE3841876A1
Application number: DE19883841876
Authority: DE
Inventors: Edmond Ing Grad Tuttass
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-12-13
Filing date: 1988-12-13
Publication date: 1990-06-21

Abstract

The invention relates to a heat engine which converts heat into mechanical work with efficiencies of up to 60 %. The expansion pressure and the compression pressure are preferably split up into a plurality of pressure stages. Each expansion pressure stage is respectively preceded by a heater, and the compressor stages are separated by intercoolers. Furthermore, the heat engine has an internal heat exchanger in which the expanded hot gas exchanges heat to the compressed gas, preferably in counterflow. The invention can be used in all fields of heat engines, e.g. for generating electricity, as a drive for working machines, as a vehicle drive in motor vehicles, locomotives, ships and airplanes. The aim of the invention is to increase the economic efficiency of heat engines and to reduce the exhaust gas emissions.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, bestehend aus Kühler (21), Verdichter (2), Erhitzer (4, 8), Expansionsmaschinen, wie Motoren oder Turbinen (6, 10) mit Abgabe mechanischer Arbeit an einer Abtriebswelle (17) und einem internen Wärmetauscher (18). Die Wärmekraftmaschine hat einen sehr großen Wirkungsgrad in der Umwandlung von Wärme in mechan. Energie. Sie ist anwendbar in allen Bereichen der Wärmekraftmaschinen, z. B. zur Elektrizitätserzeugung, als Antrieb für Arbeitsmaschinen und als Fahrzeugantrieb.The invention relates to a heat engine, comprising a cooler ( 21 ), a compressor ( 2 ), a heater ( 4, 8 ), expansion machines such as motors or turbines ( 6, 10 ) with mechanical work being performed on an output shaft ( 17 ) and an internal heat exchanger ( 18 ). The heat engine has a very high efficiency in converting heat into mechan. Energy. It is applicable in all areas of heat engines, e.g. B. for electricity generation, as a drive for work machines and as a vehicle drive.

Die Erfindung soll die Wirtschaftlichkeit von Wärmekraftmaschinen erhöhen und die Abgas-Emissionen mindern.The invention aims at the economy of heat engines increase and reduce exhaust emissions.

Stand der Technik sind Wärmekraftmaschinen, die mechanische Arbeit meist durch Verbrennungswärme erzeugen. Dabei wird in Wärmekraft maschinen mit innerer Verbrennung der Kraftstoff in Arbeitszylinder von Diesel- oder Otto-Motoren oder in Brennkammern von Gasturbinen verbrannt. In Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung erzeugt die chemische Energie des Brennstoffes in einem Dampfkessel überhitzten Dampf, der in Dampfturbinen mechanische Arbeit leistet.State of the art are thermal engines, the mechanical work mostly generated by heat of combustion. Thereby, in thermal power machines with internal combustion of fuel in working cylinders of diesel or petrol engines or in combustion chambers of gas turbines burned. In heat engines with external combustion, the Chemical energy of the fuel overheated in a steam boiler Steam that does mechanical work in steam turbines.

Der Wirkungsgrad in der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie ist bei den bekannten Wärmekraftmaschinen mit 15 bis 45% noch sehr weit von dem theoretischen Carnot-Wirkungsgrad entfernt. 55% bis 85% der eingesetzten Verbrennungswärme sind nicht in mechanische Energie oder elektrischen Strom umwandelbar. Das führt zu hohen Energiepreisen, Wärmebelastung der Umwelt und starker Abgasemissionen.The efficiency in converting heat into mechanical energy is still very much in the known heat engines with 15 to 45% far from the theoretical Carnot efficiency. 55% to 85% of the combustion heat used is not in mechanical Convertible to energy or electricity. That leads to high Energy prices, heat pollution of the environment and strong exhaust emissions.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad in der Umwandlung von Wärme in mechanische oder elektrische Energie be deutsam auf über 50% anzuheben und damit die Wirtschaftlichkeit von Wärmekraftmaschinen und Kraftwerken sehr wesentlich zu erhöhen und die Abgasemission zu vrmindern. Die Erfindung ermöglicht einen wirtschaftlichen Ersatz für Nuklear-Kraftwerke und löst somit auch das Problem des Atom-Müll.The invention has for its object the efficiency in the Conversion of heat into mechanical or electrical energy significant increase to over 50% and thus the profitability of heat engines and power plants to increase very significantly and reduce exhaust emissions. The invention enables one economical replacement for nuclear power plants and thus also solves the problem of nuclear waste.

Die Hauptaufgabe der Erfindung, die bessere Wärmenutzung, wird dadurch gelöst, daß der Expansions- und der Kompressionsdruck der Wärmekraft maschinen bei höherem Druckverhältnis in mehrere Druckstufen aufge teilt ist und jeder Expansionsdruckstufe jeweils ein Erhitzer (4, 8) vorgeschaltet ist, der die Gastemperatur auf ein höheres Niveau zu rückbringt, wodurch größere Expansionsarbeiten in der jeweils nach folgenden Expansion erzielt werden. Weiterhin wird die Einsatzwärme besser genutzt, indem zwischen den Verdichterstufen das komprimierte Gas jeweils zwischengekühlt wird, so daß für die nächstfolgende Ver dichtung weniger Verdichtungsenergie notwendig ist. Abwärmeminderung durch Wärmeaustausch des expandierten Heißgases an die verdichtete mäßig warme Luft in einem internen Wärmetauscher (18) führt zu weiterer Reduzierung des sonst notwendigen Wärmeeinsatzes. Diese drei Vorteile:
mehr Expansionsarbeit, wenigter Kompressorarbeit, weniger Abwärmever luste steigern den Wirkungsgrad in der Umwandlung von Wärme in Be wegungsenergie auf über 50% bis max. ca. 60% bei hohen Expansionstem peraturen. Dabei kennzeichnen:The main object of the invention, the better use of heat is achieved in that the expansion and compression pressure of the heat engine is divided up into several pressure stages at a higher pressure ratio and each expansion pressure stage is preceded by a heater ( 4, 8 ) which switches the gas temperature to to bring back a higher level, whereby larger expansion work is achieved in the subsequent expansion. Furthermore, the heat of use is better used by intercooling the compressed gas between the compressor stages, so that less compression energy is required for the next compression. Waste heat reduction by heat exchange of the expanded hot gas to the compressed, moderately warm air in an internal heat exchanger ( 18 ) leads to a further reduction in the otherwise necessary heat input. These three advantages:
more expansion work, less compressor work, less waste heat losses increase the efficiency in converting heat into movement energy to over 50% to max. approx. 60% at high expansion temperatures. Mark:

Anspruch 1 die wesentlichen Merkmale der Erfindung,Claim 1 the essential features of the invention,

Anspruch 2 den geschlossenen Gasumlauf mit Wärmetauschern, Claim 2 the closed gas circulation with heat exchangers,

Anspruch 3 den offenen Gasumlauf mit Brennkammern,Claim 3 the open gas circulation with combustion chambers,

Anspruch 4 die besonderen Merkmale der Erfindung für Strahltrieb werke.Claim 4 the special features of the invention for jet propulsion works.

Die Erfindung bringt große wirtschaftliche Vorteile:
insbesondere in der Stromerzeugung, wo der hohe Wirkungsgrad den Anteil der Brennstoffkosten im Strompreis senkt und die Wettbe werbsfähigkeit von Verbrennungskraftwerken über die der Nuklearkraft werke hebt. Damit entfällt mit den Nuklearkraftwerken das Gefahren potential der radioaktiven Verseuchung und es entfällt auch die Ent sorgung radioaktiver Abfallstoffe. Die Erfindung bringt darüber hinaus große ökologische Vorteile durch die reduzierte Abgasmenge und durch die verringerte Abwärme. Ähnliche Vorteile entstehen auch in anderen Anwendungsbereichen, insbesondere für den Kraftfahrzeugverkehr. Hier werden nicht nur weniger Abgase erzeugt. Die annähernd 100%ige Ver brennung des Kraftstoffes in separaten Brennkammern macht die Abgase, auch ohne Katalysator, weitgehend schadstofffrei. Der Einsatz dieser Wärmekraftmaschine in Strahltriebwerken erhöht den Wirkungsgrad in der Kraftstoffverwertung. In Zweistrahl-Flugtriebwerken kann der Ener gie-Einsatz für den Sekundärstrom vervielfacht werden, was auch zu einer Vervielfachung des Schubes führt. Der Treibstoffbedarf und die Flugkosten sinken.The invention brings great economic advantages:
especially in power generation, where the high level of efficiency lowers the share of fuel costs in the price of electricity and increases the competitiveness of combustion power plants over that of nuclear power plants. With the nuclear power plants, there is no longer any danger of radioactive contamination and there is also no disposal of radioactive waste. The invention also brings great ecological advantages through the reduced amount of exhaust gas and through the reduced waste heat. Similar advantages also arise in other areas of application, in particular for motor vehicle traffic. Not only are fewer exhaust gases generated here. The almost 100% combustion of the fuel in separate combustion chambers makes the exhaust gases largely pollutant-free, even without a catalytic converter. The use of this heat engine in jet engines increases the efficiency in fuel recycling. In twin-jet aircraft engines, the energy input for the secondary current can be multiplied, which also leads to a multiplication of the thrust. Fuel consumption and flight costs are falling.

description

Fig. 1 kennzeichnet den Aufbau und die Wirkungsweise der Erfindung. Ein Gas (1) (z. B. Luft) wird im offenen oder geschlossenem Gasumlauf durch den Verdichter (19) angesaugt und auf max. ca. 4 : 1 verdichtet. Dabei steigt die Temperatur des Gases, je nach Verdichtung und Wirkungsgrad, z. B. bei einer Verdichtung 3 : 1 auf ca. 140°C. Das erwärmte und verdichtete Gas wird in einem Kühler (21) wieder zurückgekühlt, wobei die abgegebene Wärme ggfs. zu Heizzwecken (22) nutzbar ist. Das abgekühlte Druckgas ge langt in den 2. Verdichter (2), wo es erneut komprimiert wird. In der be schriebenen Art können noch weitere Zwischenkühlungen und Verdichtungen durchgeführt werden. Nach der letzten Verdichterstufe wird dem Gas, ohne weitere Nachkühlung, zusätzliche Wärme zugeführt. Hierzu dient ein interner Wärmetauscher, der vorzugsweise im Gegenstrom die Wärme des bereits expandierten Gases auf das Druckgas überträgt. Dabei wird das Druckgas bis dicht an die Expansionstemperatur erhitzt, z. B. auf 500°C. Erst nach Austritt aus dem internen Wärmetauscher (18) erhält das Gas zusätzliche Einsatzwärme aus dem Erhitzer (4), indem es beispielsweise auf 750°C aufgeheizt wird. Dieser Erhitzer besteht bei offenen luftbetriebenen Wärmekraftmaschinen aus einer Brennkammer (4), ggfs. mit einem Katalysator, in die Kraftstoff oder Brenngas eingesprüht bzw. eingepreßt wird und verbrennt, dazu genügt eine geringe Menge, beispielsweise, wie oben ge nannt, nur zur Erwärmung des Gases von 500°C auf 750°C. Fig. 1 indicates the structure and operation of the invention. A gas ( 1 ) (e.g. air) is drawn in through the compressor ( 19 ) in open or closed gas circulation and is limited to max. compressed about 4: 1. The temperature of the gas rises, depending on the compression and efficiency, e.g. B. with a compression 3: 1 to approx. 140 ° C. The heated and compressed gas is cooled back in a cooler ( 21 ), the heat given off possibly being usable for heating purposes ( 22 ). The cooled compressed gas reaches the 2nd compressor ( 2 ), where it is compressed again. In the described manner, further intermediate cooling and compression can be carried out. After the last compressor stage, additional heat is added to the gas without further cooling. An internal heat exchanger is used for this purpose, which preferably transfers the heat of the already expanded gas to the compressed gas in countercurrent. The compressed gas is heated up to the expansion temperature, e.g. B. to 500 ° C. Only after exiting the internal heat exchanger ( 18 ) does the gas receive additional heat from the heater ( 4 ), for example by heating it to 750 ° C. In open air-powered heat engines, this heater consists of a combustion chamber ( 4 ), possibly with a catalyst, into which fuel or fuel gas is sprayed or injected and burns, a small amount, for example, as mentioned above, is only sufficient to heat the Gases from 500 ° C to 750 ° C.

Dagegen wird in einer Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Gasumlauf die Verbrennungswärme indirekt über Wärmetauscher (4) dem Umlaufgas zu geführt. Das so erhitzte Gas (von beispielsweise 750°C) expandiert mit einem Expansionsverhältnis von max. ca. 1 : 4 in einem Motor (6) oder einer Turbine (6). Es leistet dabei Arbeit, die über die Turbinenwelle (Motorwelle) (9, 17) abgeführt wird und kühlt sich dabei ab, z. B. von 750°C auf 530°C. Das abgekühlte Gas mit dem verminderten Druck wird in den nächsten Erhitzer (8) geführt, wo es nochmals, wie beschrieben, z. B. auf 750°C erhitzt wird, ehe es erneut in einem Motor (10) oder in einer Tur bine (10) Expansionsarbeit abgibt und sich wiederum abkühlt (z. B. auf 530°C). Wie bei der Verdichtung sind auch bei der Expansion noch weitere Druckstufen möglich. Dabei wird das Gas jeweils vor jeder nachfolgenden Expansion in einem Erhitzer nacherhitzt.In contrast, in a heat engine with closed gas circulation, the heat of combustion is fed indirectly to the circulation gas via heat exchangers ( 4 ). The gas heated in this way (for example 750 ° C.) expands with an expansion ratio of max. approx. 1: 4 in an engine ( 6 ) or a turbine ( 6 ). It does work that is discharged via the turbine shaft (motor shaft) ( 9, 17 ) and cools down, z. B. from 750 ° C to 530 ° C. The cooled gas with the reduced pressure is fed into the next heater ( 8 ), where it is again, as described, for. B. is heated to 750 ° C before it again gives up expansion work in an engine ( 10 ) or in a turbine ( 10 ) and cools down again (e.g. to 530 ° C). As with compression, further pressure stages are also possible during expansion. The gas is reheated in a heater before each subsequent expansion.

Das expandierte Gas strömt schließlich mit der Expansionstemperatur (z. B. 530°C) und seinem niedrigsten Druck (z. B. 1 bar) in den internen Wärme tauscher (18), wo es Wärme, wie beschrieben, an das Druckgas der letzten Verdichterstufe abgibt.The expanded gas finally flows with the expansion temperature (z. B. 530 ° C) and its lowest pressure (z. B. 1 bar) in the internal heat exchanger ( 18 ), where there is heat, as described, to the compressed gas of the last Compressor stage delivers.

Wird die Wärmekraftmaschine mit einem Gesamtverdichtungs- bzw. Expansions verhältnis max 4 : 1 bzw. 1 : 4 betrieben, so entfallen die Zwischenkühlungen und Zwischenerwärmungen. Es verbleibt aber der interne Wärmetausch. Der Wirkungsgrad ist ähnlich hoch wie bei einer entspr. mehrstufigen Verdichtung und Expansion mit größerem Druckgefälle aber den beschriebenen Zwischenkühlungen bzw. Zwischenerwärmungen. Die Fig. 1a zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau im offenen System und mit Brenn kammern. Die Brennstoffzuführung erfolgt bei (7) bzw. (3).If the heat engine is operated with a total compression or expansion ratio of max. 4: 1 or 1: 4, the intermediate cooling and intermediate heating are omitted. However, the internal heat exchange remains. The efficiency is similar to that of a corresponding multi-stage compression and expansion with a larger pressure drop but the intermediate cooling or intermediate heating described. The Fig. 1a shows this, chambers an exemplary embodiment of the construction in an open system and with fuel. The fuel is supplied at ( 7 ) or ( 3 ).

Da die Verdichtung ohne Zwischenkühlung bei mäßigem Druckverhältnis weniger stark negativ ist als die Expansion ohne Zwischenerwärmung, kann die Wärmekraftmaschine ggfls. nur mit Zwischenerwärmung betrieben werden. Fig. 2 zeigt auch hierzu ein Ausführungsbeispiel. Since the compression without intermediate cooling at a moderate pressure ratio is less negative than the expansion without intermediate heating, the heat engine can if necessary. can only be operated with intermediate heating. Fig. 2 shows also in this one embodiment.

Die Fig. 14a und Fig. 14b kennzeichnen den großen thermodynamischen Vorteil zwischen den konventionellen Gasturbinen (Fig. 14a) und der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine im (T-s) Temperatur-Entropie- Diagramm. Die Flächen N entsprechen der theoretischen Nutzarbeit der Motoren bzw. Turbinen und die Flächen V stellen die Abwärmeverluste dar. Beide Flächen N + V ergeben den Wärmeeinsatz, z. B. aus der Ver brennungswärme, die über die Erhitzer (4) bzw. Zwischenerhitzer (8) in die Wärmekraftmaschine eingegeben wird. Es ist deutlich erkennbar, daß die konventionelle Gasturbine (Fig. 14a) weniger Arbeit (Fläche N) leistet als die erfindungsgemäße Wärmkraftmaschine (Fig. 14b). Der Abwärmeverlust (Fläche V) in der konventionellen Gasturbine (Fig. 14a) ist wesentlich größer. Das führt dazu, daß unter sonst gleichen Bedingungen, wie Verdichtungsverhältnis, mechanische Wirkungsgrade der Verdichtungs- und Expansionsmaschinen u. a. die Wärmekraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruch 1 mit ca. 55% gegen ca. 35% konvention. Gasturbinen für eine bestimmte Brenn- oder Kraftstoffmenge rd. 80% mehr Arbeit leistet, was die genannten wirtschaftlichen und ökolo gischen Vorteile erbringt. FIG. 14a and FIG. 14b mark the large thermodynamic advantage between the conventional gas turbines (Fig. 14a) and the heat engine according to the invention (Ts) temperature-entropy diagram. The areas N correspond to the theoretical useful work of the engines or turbines and the areas V represent the waste heat losses. Both areas N + V result in the use of heat, e.g. B. from the combustion heat Ver, which is entered via the heater ( 4 ) or intermediate heater ( 8 ) in the heat engine. It can be clearly seen that the conventional gas turbine ( FIG. 14a) does less work (area N) than the heat engine according to the invention ( FIG. 14b). The waste heat loss (area V) in the conventional gas turbine ( Fig. 14a) is much larger. This leads to the fact that under otherwise identical conditions, such as compression ratio, mechanical efficiency of the compression and expansion machines, inter alia, the heat engine with the features of claim 1 with approx. 55% against approx. 35% conventional. Gas turbines for a certain amount of fuel or fuel approx. Does 80% more work, which brings the economic and ecological advantages mentioned.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen in Ausführungs beispielen dargestellt und erläutert.In the following the invention with reference to drawings in execution examples shown and explained.

Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 bis Fig. 8 zeigen jeweils den schematischen Aufbau der Wärmekraftmaschine. Die Fig. 9 bis Fig. 13 zeigen Beispiele für die technische Ausstattung. Die Fig. 1a bis Fig. 3 enthalten Beispiele für den offenen Gasumlauf mit Brennkammern. Die Fig. 4 bis Fig. 6 kennzeichnen Flugantriebe und die Fig. 7 und Fig. 8 bringen Beispiele für den geschlossenen Gasumlauf mit Wärmetauschern. 1 embodiments of FIG. To FIG. 8 each show the schematic structure of the heat engine. FIG. 9 to FIG. 13 show examples of the technical equipment. Figs. 1a to Fig. 3 provide examples of the open gas circulation with combustion chambers. FIGS. 4 to FIG. 6 indicate Flight Propulsion and Fig. 7 and Fig. 8 bring examples for the closed gas circulation with heat exchangers.

Embodiments

Fig. 1 Grundaufbau der Wärmekraftmaschine, Fig. 1 basic configuration of the heat engine,

Fig. 1a Ausführungsbeispiel ohne Zwischenkühlung, ohne Zwischener wärmung für kleine Druckverhältnisse, FIG. 1a embodiment without intermediate cooling without Zwischener warming small pressure conditions,

Fig. 2 Ausführung mit einer Zwischenerwärmung ohne Zwischenkühlung für mäßig hohe Verdichtung, Fig. 2 embodiment with an intermediate heating without intermediate cooling of moderately high compression,

Fig. 3 Ausführung für hohe Verdichtung und großer Expansion mit je einer Zwischenkühlung und Zwischenerwärmung, Fig. 3 embodiment for high densification and high expansion, each with an intermediate cooling and intermediate heating,

Fig. 4 Ausführungsbeispiel eines Einstrom-Schubtriebwerkes, Fig. 4 embodiment of an inflow-thrust engine,

Fig. 5 Ausführungsbeispiel für eine Turbo-Prop-Triebwerk, Fig. 5 embodiment for a turbo-prop engine,

Fig. 6 Ausführungsbeispiel eines Zweistrom-Schubtriebwerkes, Fig. 6 embodiment, a dual flow-thrust engine,

Fig. 7 Ausführungsbeispiel der Wärmekraftmaschine für kleine Druck verhältnisse ohne Zwischenkühlung, ohne Zwischenerwärmung, Fig. 7 embodiment of the heat engine for small pressure conditions without intermediate cooling without intermediate heating,

Fig. 8 Ausführung für hohe Verdichtung und externe Verbrennung mit je einer Zwischenerwärmung und Zwischenkühlung, Fig. 8 embodiment for high compression and external combustion, each with an intermediate heating and intercooling

Fig. 9 entspr. Fig. 3: Ausführungsbeispiel einer Wärmekraftmaschine mit Hubkolbenmaschinen, insb. für den mobilen Einsatz, z. B. für Kraftfahrzeuge, Arbeitsmaschien u. a., . Fig. 9 corresp FIG. 3 embodiment of a heat engine with reciprocating piston engines, especially for mobile use, for.. B. for motor vehicles, work machinery, etc.

Fig. 10 entspr. Fig. 1a: Ausführungsbeispiel mit Schrauben-Verdichter und Expansionsmaschinen in Kleinbauweise und geringer Ver dichtung, z. B. für Kraftfahrzeuge und Flugzeuge, Fig. 10 corresponds to Fig. 1a: embodiment with screw compressor and expansion machines in a small design and low Ver seal, z. B. for motor vehicles and airplanes,

Fig. 11 entspr. Fig. 2: Beispiel in Turbo-Ausführung für mittlere und große Kraftanlagen bei mäßiger Verdichtung, . Fig. 11 corresp Fig. 2: Example in turbo embodiment for medium and large turbines with moderate compression,

Fig. 12 entspr. Fig. 6: Zweistrahl-Schubtriebwerk für Flugzeuge mit sehr hoher Schubleistung. Fig. 12 corresponds to Fig. 6: Two-jet thrust engine for aircraft with very high thrust.

Die Fig. 1 zeigt schematisch die beschriebenen erfindungsemäßen Merkmale nach Anspruch 1. Fig. 1 shows schematically the erfindungsemäßen described features of claim 1.

Die Fig. 1a bis Fig. 6 und die Fig. 9 bis Fig. 11 zeigen Ausführungs beispiele, in denen die Erhitzer (4) (8) als Brennkammern ausgebildet sind. Die Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel technischer Gestaltung nach Fig. 1a, d. h. ohne Zwischenkühlung und ohne Zwischenerwärmung. Kompressor (2) und Motor (6) arbeiten in Schraubenausführung, wobei der Schraubenmotor (6) vorzugsweise aus hitzebeständigem Material (z. B. aus Keramik) besteht. Diese Wärmekraftmaschine zeichnet sich aus durch die kleinen Baumaße und die hohe Leistung und ist daher für mobile Maschinen, insb. Kraftfahrzeuge, geeignet. Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades sollte die Verdichtung unterhalb von 4 : 1 liegen. Anstelle von Schrauben sind auch Dreh- oder Hubkolbenmotoren bzw. Verdichter einsetzbar. Für große stationäre Anlagen eignen sich auch Turbomaschinen. Fig. 1a to Fig. 6 and Fig. 9 to Fig. 11 show execution examples, in which the heater ( 4 ) ( 8 ) are designed as combustion chambers. Fig. 10 shows an embodiment of technical design according to Fig. 1a, that is, without intermediate cooling and without intermediate heating. Compressor (2) and motor (6) working in screw design, the screw motor (6) is preferably made of heat resistant material (eg. As ceramics). This heat engine is characterized by the small dimensions and high performance and is therefore suitable for mobile machines, especially motor vehicles. To achieve good efficiency, the compression should be below 4: 1. Rotary or reciprocating motors or compressors can also be used instead of screws. Turbo machines are also suitable for large stationary systems.

Die Fig. 2 kennzeichnet schematisch die erfindungsgemäße Wärmekraft maschine für den mittleren Druckbereich mit dem Erhitzer (4) und dem Zwischenerhitzer (8) jeweils in Bremmer-Ausführung für eine zwei gestufte Expansion über die Motoren bzw. Turbinen (6) und (10). Die Fig. 11 zeigt hierzu das Ausführungsbeispiel einer Turbo-Anlage. Fig. 2 shows schematically the heat engine according to the invention for the medium pressure range with the heater ( 4 ) and the reheater ( 8 ) each in a Bremmer version for a two-stage expansion via the motors or turbines ( 6 ) and ( 10 ). Fig. 11 shows in this respect the embodiment of a turbo system.

Die Fig. 3 kennzeichnet das Ausführungsbeispiel für eine Wärmekraft maschine mit zweistufiger Verdichtung für mittlere und hohe Druckbe reiche über die Kompressoren (2) und (19). Nach dem ersten Verdichter wird die Luft in dem Zwischenkühler (21) zwischengekühlt, so daß für die nach folgende Verdichtung weniger Energieeinsatz notwendig ist. Auch in dieser Ausführung ist eine 2stufige Expansion mit Zwischenerhitzung in der Brennkammer (8) vorgesehen. Die höhere Expansionstemperatur er möglicht größere nutzbare Expansionsarbeiten in dem Motor bzw. in der Turbine. Anstelle von 2 Stufen mit jeweiliger Zwischenkühlung bzw. Zwischenerwärmung sind auch 3- oder mehrstufige Anlagen mit entspr. Zwischenkühlungen und Zwischenerwärmungen darstellbar. Wärmekraftmaschinen mit Zwischenkühlung(en) und Zwischenerhitzung(en) eignen sich insbesondere für große Kraftanlagen, z. B. als Gasturbinenanlagen zur Stromerzeugung. Aber auch kleinere Wärmekraftmaschinen sind so darstellbar. Die Fig. 9 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel mit Hulbkolben-Maschinen, insb. für den mobilen Einsatz, z. B. in Kraftfahrzeugen. Verdichter (2) (9) und Motoren (6) (10) sind als Differential-Hubkolben-Maschinen ausgebildet. Die Vor verdichtung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel in dem größeren Hub volumen im Vorverdichter (19). Die vorverdichtete Luft kühlt in dem Luft kühler (21) ab, ehe sie in dem kleineren Hubvolumen des Verdichters (2) stärker komprimiert wird. In dem internen Wärmetauscher (18) erhitzt die Druckluft im Gegenstrom zum Abgas und wird schließlich in der Brenn kammer (4) durch Kraftstoffverbrennung auf die Eintrittstemperatur für die Expansion angehoben. Die Heißgase expandieren unter Energieabgabe zweistufig mit einer Zwischenerhitzung in einer Brennkammer (8), und zwar im höheren Druckbereich im kleineren Expansionsvolumen des Motors (10) und nach der Zwischenerwärmung im größeren Expansionsvolumen des Motors (6), ehe das Gas über den internen Wärmetauscher (18) als Abgas die Wärmekraftmaschine verläßt. Fig. 3 indicates the embodiment for a heat engine with two-stage compression for medium and high pressure ranges over the compressors ( 2 ) and ( 19 ). After the first compressor, the air is intercooled in the intercooler ( 21 ), so that less energy is required for the subsequent compression. In this version, too, a two-stage expansion with reheating in the combustion chamber ( 8 ) is provided. The higher expansion temperature enables greater usable expansion work in the engine or in the turbine. Instead of 2 stages with respective intermediate cooling or intermediate heating, 3-stage or multi-stage systems with corresponding intermediate cooling and intermediate heating can also be represented. Heat engines with intermediate cooling (s) and intermediate heating (s) are particularly suitable for large power plants, e.g. B. as gas turbine plants for power generation. But smaller heat engines can also be represented in this way. Fig. 9 shows in this respect an embodiment with Hulbkolben machines, esp. For mobile use, for. B. in motor vehicles. Compressors ( 2 ) ( 9 ) and motors ( 6 ) ( 10 ) are designed as differential reciprocating machines. The pre-compression takes place in this embodiment in the larger stroke volume in the pre-compressor ( 19 ). The pre-compressed air cools in the air cooler ( 21 ) before it is compressed more in the smaller stroke volume of the compressor ( 2 ). In the internal heat exchanger ( 18 ), the compressed air is heated in countercurrent to the exhaust gas and is finally raised in the combustion chamber ( 4 ) by fuel combustion to the entry temperature for expansion. The hot gases expand in two stages with the release of energy with intermediate heating in a combustion chamber ( 8 ), namely in the higher pressure range in the smaller expansion volume of the engine ( 10 ) and after intermediate heating in the larger expansion volume of the engine ( 6 ) before the gas via the internal heat exchanger ( 18 ) leaves the heat engine as exhaust gas.

Die Fig. 4 bis Fig. 6 kennzeichnen schematisch Ausführungsbeispiele der Wärmekraftmaschine als Schubantriebe, vorzugsweise für Flugzeuge. FIGS. 4 to Fig. 6 diagrammatically indicate embodiments of the heat engine as linear actuators, preferably for aircraft.

Diese Strahltriebwerke zeichnen sich aus durch große Schubkräfte und geringem Kraftstoffverbrauch gegenüber den bekannten Strahltrieb werken. Die Fig. 4 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Einstrom-Strahl triebwerkes. Die Wärmekraftmaschine in diesem Triebwerk besitzt zwei Erhitzer bzw. Zwischenerhitzer (4) (8) in Brennkammer-Ausführung, wobei der Zwischenerhitzer (8) zwischen zwei Turbinen in mittlerer Druckhöhe der Expansion angeordnet ist. Durch die Anhebung der mittleren Expan sionstemperatur in dem Zwischenerhitzer (8) ist die nutzbare Turbinen arbeit wesentlich größer als in den bekannten Strahltriebwerken. Diese größere Turbinenarbeit wiederum gestattet eine höhere Verdichtung und damit ein größeres Restdruckgefälle der Heißgase hinter den Tur binen, das wiederum eine größere Expansion bei höherer Temperatur in der Schubdüse gestattet. Der Schub des Einstrom-Strahltriebwerkes ist also größer als bei den konventionellen Einstrom-Strahltriebwerken. Unter sonst gleichen Bedingungen erzeugt die erfindungsgemäße Wärme kraftmaschine in Einstrom-Strahltriebwerken höhere Schübe bei geringerem Kraftstoffverbrauch.These jet engines are characterized by high thrust and low fuel consumption compared to the known jet engines. Fig. 4 shows the embodiment of an inflow jet engine. The heat engine in this engine has two heaters or intermediate heaters ( 4 ) ( 8 ) in the combustion chamber design, the intermediate heater ( 8 ) being arranged between two turbines at a medium pressure level for expansion. By increasing the mean expansion temperature in the reheater ( 8 ), the usable turbine work is much larger than in the known jet engines. This larger turbine work in turn allows higher compression and thus a greater residual pressure drop of the hot gases behind the turbines, which in turn allows greater expansion at a higher temperature in the thrust nozzle. The thrust of the single-jet jet engine is therefore greater than that of the conventional single-jet jet engines. Under otherwise identical conditions, the heat engine according to the invention generates higher thrusts with lower fuel consumption in single-jet jet engines.

Die Fig. 5 kennzeichnet das Ausführungsbeispiel eines Turbo-Prop- Strahlantriebes mit den in Fig. 4 erläuterten Vorteilen. In dem Turbo- Prop-Antrieb wird jedoch ein Teil der größeren Expansionsarbeit der Turbinen zum Antrieb eines Propellers benutzt, womit sehr hohe Schub kräfte beim Start und in kleinen Fluggeschwindigkeiten erzeugt werden. Zweckmäßigerweise arbeitet dieses Triebwerk in Wechselwirkung: beim Start und bei kleinen Geschwindigkeiten expandiert das Heißgas in der Turbine (10) nahezu auf den äußeren Luftdruck. Sämtliche Überschußarbeit der Turbinen (6) (10) wird dem Propeller 624) zugeführt, der mit hoher Leistung eine große Luftmasse beschleunigt und einen großen Schub erzeugt. Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit wird die mögliche Über schuß-Expansionsarbeit der Heißgase auf die Schubdüse (11) verlagert, bis schließlich im Überschallbereich der Propeller (24) eingezogen außer Betrieb ist. FIG. 5 identifies the exemplary embodiment of a turbo prop jet drive with the advantages explained in FIG. 4. In the turbo-prop drive, however, part of the larger expansion work of the turbines is used to drive a propeller, with which very high thrust forces are generated at take-off and at low flight speeds. This engine expediently works in interaction: at start-up and at low speeds, the hot gas in the turbine ( 10 ) expands almost to the external air pressure. All excess work of the turbines ( 6 ) ( 10 ) is fed to the propeller 6 24 ), which accelerates a large air mass at high power and generates a large thrust. With increasing flight speed, the possible excess expansion work of the hot gases is shifted to the thrust nozzle ( 11 ) until finally the propeller ( 24 ) is drawn out of operation in the supersonic area.

Die Fig. 6 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Zweistrom-Strahltrieb werkes mit der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine. Die Überschuß arbeit zusätzlich zu der notwendigen Verdichterarbeit für den Primär strom wird in einem viel größerem Umfang als bisher entnommen und für die Beschleunigung des Sekundärstrahles aufgewandt. Der Verdichter des Sekundärstromes (äußerer Luftstrom ohne Verbrennung) erzeugt insb. beim Start und bei kleinen Fluggeschwindigkeiten sehr viel bessere Wirkungsgrade als der heiße Primärstrom und erzeugt mit der größeren Energieeingabe aus der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine einen sehr viel größeren Schub als in konventionellen Zweistrom-Strahltriebwerken. Alle Triebwerke mit der neuartigen Wärmekraftmaschine benötigen weniger Startlast durch den kleineren Brennstoffverbrauch, womit aber dieser Brennstoffverbrauch noch weiter abgesenkt wird. Fig. 6 shows the embodiment of a two-stream jet engine with the heat engine according to the invention. The excess work in addition to the necessary compressor work for the primary stream is taken to a much greater extent than before and spent on the acceleration of the secondary jet. The compressor of the secondary flow (external air flow without combustion) produces much better efficiencies than the hot primary flow, especially at take-off and at low flight speeds and, with the greater energy input from the heat engine according to the invention, generates a much greater thrust than in conventional two-flow jet engines. All engines with the new type of heat engine require less starting load due to the smaller fuel consumption, which means that this fuel consumption is reduced even further.

Die Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die maschinelle Aus stattung des Zweistrom-Strahltriebwerkes. Man erkennt links den Luft eintritt für den Primärstrom, den Verdichter (2), den Erhitzer (Brennkammer) (4), die erste Turbine (6), den Zwischenerhitzer (8), die 2. Turbine (10) und die Primärschubdüse (11). Der äußere Sekundärstrom wird über den Verdichter (15) durch die Turbinen (6) (10) komprimiert und expandiert in der Düse (16). Fig. 13 shows an embodiment for the mechanical equipment from the two-stream jet engine. On the left you can see the air entering for the primary flow, the compressor ( 2 ), the heater (combustion chamber) ( 4 ), the first turbine ( 6 ), the reheater ( 8 ), the 2nd turbine ( 10 ) and the primary thrust nozzle ( 11 ). The outer secondary flow is compressed by the compressor ( 15 ) through the turbines ( 6 ) ( 10 ) and expands in the nozzle ( 16 ).

Die Fig. 7, Fig. 8 und Fig. 12 kennzeichnen die erfindungsgemäße Wärme kraftmaschine mit äußerem Wärmeeinsatz, vergleichbar mit den bisherigen Dampfkraftmaschinen (Kraftwerke). Die Verbrennungswärme wird indirekt durch die als Wärmetauscher ausgebildeten Erhitzer (4) (8) in den ge schlossenen Gasumlauf der Wärmekraftmaschine eingegeben. Anstelle von Verbrennungswärme kann auch Abwärme oder Nuklearwärme (Atomkraft werk) in den Gasumlauf eingegeben werden.The Fig. 7, Fig. 8 and Fig. 12 denote the heat engine according to the invention with external heat input, similar to the previous steam engine (power plants). The heat of combustion is entered indirectly through the heater ( 4 ) ( 8 ) designed as a heat exchanger into the closed gas circulation of the heat engine. Instead of combustion heat, waste heat or nuclear heat (nuclear power plant) can also be entered into the gas circulation.

Die Fig. 7 zeigt das Ausführungsbeispiel für eine Kraftanlage mit ein stufiger Verdichtung (2) und einstufiger Expansion (6). Der Gasumlauf er hält nach der Verdichtung (2) zunächst über den internen Wärmetauscher (18) die Restwärme des expandierten Gases aus der Turbine (6) bevor er in der Heizkessel-Anlage (26) in dem Erhitzer (4) auf die Eintritts temperatur für die Turbine (6) nacherhitzt wird. Der Erhitzer (4) arbeitet vorzugsweise im Gegenstrom zu den Brenngasen des Heizkessel (26). Die Restwärme der Brenngase in der Heizkessel-Anlage (26) wird benutzt um über einen Luftvorwärmer (23) die Frischluft vorzuheizen. Es sind alle Brenn- und Kraftstoffe einsetzbar (3). Fig. 7 shows the embodiment for a power plant with a stage compression ( 2 ) and one-stage expansion ( 6 ). The gas circulation he holds after compression ( 2 ) first via the internal heat exchanger ( 18 ) the residual heat of the expanded gas from the turbine ( 6 ) before it in the boiler system ( 26 ) in the heater ( 4 ) to the inlet temperature for the turbine ( 6 ) is reheated. The heater ( 4 ) preferably works in countercurrent to the fuel gases of the boiler ( 26 ). The residual heat of the fuel gases in the boiler system ( 26 ) is used to preheat the fresh air via an air preheater ( 23 ). All fuels can be used ( 3 ).

Die Fig. 8 kennzeichnet den geschlossenen Gasumlauf für eine Kompression in der zweistufigen Verdichtung (19) (2) mit Zwischenkühlung (21) größer als 4 : 1. Auch dieExpansion ist zweistufig (6) (10) mit Zwischenerhitzung (8) in der Kesselanlage. Die Abwärme (22) ist ggfls. zu Heizzwecken nutzbar. Die Fig. 12 zeigt nach Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel mit Turbokompressoren (19) (2), Zwischenkühler (21) und Heißgas-Turbinen (6) (10), sowie die Heiz kessel-Anlage (26) mit Erhitzer (4) und Zwischenerhitzer (8). Fig. 8 indicates the closed gas circulation for compression in the two-stage compression ( 19 ) ( 2 ) with intermediate cooling ( 21 ) greater than 4: 1. The expansion is also two-stage ( 6 ) ( 10 ) with intermediate heating ( 8 ) in the boiler system . The waste heat ( 22 ) is possibly. usable for heating purposes. FIG. 12 is shown in FIG. 8 shows an embodiment with turbo-compressors (19) (2), intercooler (21) and hot gas turbine (6) (10), and the heating boiler plant (26) with heater (4) and Reheater ( 8 ).

Die Anlagen mit geschlossenem Gasumlauf sind vorzugsweise stationär ein zurichten und haben sehr hohe Wirkungsgrade. The systems with closed gas circulation are preferably stationary and have very high efficiencies.

1 Gas-/Lufteintritt
2 Verdichter
3 Brenn-/Kraftstoff-Zuführung
4 Erhitzer
5 Antriebswelle zum Verdichter
6 Motor/Turbine
7 Brenn-/Kraftstoff-Zuführung für Zwischenerhitzer
8 Zwischenerhitzer
9 Ausgleichs-/Antriebswelle
10 Motor/Turbine, 2. Stufe
11 Primärstromdüse (Strahlantrieb)
12 Lufteintritt des Sekundärstrahles
13 schwenk- bzw. regelbarer Lufteinlaß
14 Schwenk- bzw. Regelvorrichtung
15 Sekundärstromverdichter
16 Sekundärstromdüse
17 Antriebswelle/äußere Leistungsabgabe
18 interner Gegenstrom-Wärmetauscher
19 Vorverdichter
20 Antriebswelle zum Vorverdichter
21 Zwischenkühler
22 Wärmeabfuhr/Abwärmeverwertung
23 Luftvorwärmer in der Kesselanlage
24 Propeller/Luftschraube
25 Gasaustritt
26 Heizkessel-Anlage 1 gas / air inlet
2 compressors
3 fuel / fuel supply
4 heaters
5 drive shaft to the compressor
6 engine / turbine
7 Fuel / fuel supply for reheaters
8 reheaters
9 balance / drive shaft
10 engine / turbine, 2nd stage
11 primary flow nozzle (jet drive)
12 Air inlet of the secondary jet
13 swiveling or adjustable air inlet
14 swivel or control device
15 secondary current compressors
16 secondary flow nozzle
17 drive shaft / external power output
18 internal counterflow heat exchangers
19 pre-compressors
20 drive shaft to pre-compressor
21 intercooler
22 Heat dissipation / waste heat recovery
23 air preheaters in the boiler system
24 propeller / propeller
25 gas outlet
26 boiler system

Claims

1. Heat engine, consisting of cooler ( 21 ), compressor ( 2 ), heater ( 4, 8 ), expansion machine ( 6, 10 ) and an internal heat exchanger ( 18 ) in constant pressure heating, characterized in that the expansion and the compression pressure is divided into one or more pressure stages and each ex expansion pressure stage is preceded by a heater ( 4, 8 ) and that with closed gas circulation in the heat engine each compressor stage and in open gas circulation, an intercooler ( 21 ) is connected upstream before the 2nd compressor stage and that preferably the working gas after the expansion in the expansion machine in an internal heat exchanger ( 18 ) preheats the compressed gas.

2. Heat engine in closed gas circulation according to claim 1, characterized in that the reheaters ( 4, 8 ) consist of heat exchangers, preferably from countercurrent heat exchangers, which introduce external heat into the heat engine, and thus increase the temperature of the circulating working gas under constant pressure .

3. Heat engine in open gas circulation according to claim 1, characterized in that the heaters ( 4, 8 ) are designed as combustion chambers in which fuel ( 3 ) or fuel burns and thereby increases the temperature of the fuel gas.

4. Heat engine in the open gas circulation according to claims 1 and 3, characterized in that only a part of the expansion work available ver is used in the expansion machines and the remaining pressure drop of the hot gas in a thrust nozzle ( 11 ) expands and the internal heat exchanger ( 18 ) ent falls.