DE407140C - Druckluftanlage mit Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

• Druckluftanlage mit Brennkraftmaschine.

  Bei Brennkraftmaschinen, bei denen zur Cber-

  tragung oder zur Verstärkung der Arbeits-

  leistung Druckluft gebraucht wird, hat man die

  Abgaswärme dazu benutzt, die Druckluft an-

  zuwärmen, um damit das Arbeitsvermögen der

  Druckluft zu vergrößern. Zu demselben Zweck

  ist auch versucht worden, beim Betriebe von

  Druckluftmotoren der Druckluft heißes e: asser

  oder Dampf beizumischen, der in einem besonde-

  ren Dampfkessel mit Kohle- oder Ölfeuerung

  gebildet wurde.

  Die Erfindung bezieht sich auf die Ausnutzung

  der Abwärme von Brennkraftmaschinen, die

  Luftverdichter treiben. Z. B. kann bei einer

  (`bertragung der Arbeitsleistung die Druckluft

  der Luftverdichter (Primärstufe) durch einen

  Verbrennungsmofor angetrieben werden, wäh-

  rend die Sekundärstufe entweder aus einem

  Druckluftmotor besteht oder aus einem Ver-

  brennungsmotor, der mit einem Druckluft-

  motor gekuppelt ist.

  Bei der reinen Druckluftübertragung geht

  durch Reibung in den Getrieben der Primär-

  und Sekundärstufe, ferner durch Abführen der

  Verdichtungswärme in den Zwischenkühlern,

  Zylindermänteln und durch Strahlung . ärme

  verloren, die in der Sekundärstufe nicht in me-

  chanische Arbeit umgesetzt wird.

  Die vorliegende Erfindung wird den Wirkungs-

  grad der Druckluftübertragung dadurch ver-

  bessern, daß die Verdichtungswärme des Ver-

  dichters und gleichzeitig die Abwärme der

  Brennkraftmaschine in mechanische Arbeit um-

  gesetzt wird.

  Zu diesem Zweck wird nach der Erfindung

  in die Arbeitsräume des Luftverdichters in der

  bei isothermischer Verdichtung bekannten Weise Wasser eingespritzt, das sich erhitzt und zum Teil in Dampf verwandelt, und das aus dem Luftverdichter strömende kalte Gemisch von Luft und Wasser (Dampf) wird durch Abgase erhitzt. Dabei kann besonders viel M ärme übertragen werden, weil die M ärmekapazität durch das Einspritzen kalten Wassers vermehrt und die Temperaturdifferenz zwischen Druckluft und Abgasen erhöht wird. Ferner erleichtert das Vorhandensein des Wassers in der Druckluft den übergang der M ärme. Es können außer dieser Maßnahme gleichzeitig die Kühlmäntel der Luftverdichter mittels `, asser gekühlt werden. Das aus den Kühlmänteln des Luftverdichters und des Verbrennungsmotors kommende Kühlwasser kann ebenfalls durch Abgase weiter erhitzt und teilweise zur Erwärmung des Gemisches von Druckluft und Wasser (Dampf) auf dem `rege zur Sekundärstufe und in dieser selbst dienen, teilweise kann es diesem Gemisch fein zerstäubt zugesetzt werden.
• Erleichtert wird die M-ärmezuführung an die Druckluft dadurch, daß man die Druckluft in der Sekundärstufe in mehreren Arbeitsstufen wirken läßt. Das Gemisch kühlt sich nach jedesmaliger Expansion stark ab. Es kann jedesmal neue `i ärme zugeführt werden, indem man das Gemisch in den Zwischenüberhitzern, die z. B. durch Abgase erhitzt werden, erwärmt oder indem man Dampf oder hocherwärmtes Kühlwasser einspritzt. .
• Für den praktischen Betrieb ist es ferner vorteilhaft, die Luft, welche in der letzten Arbeitsstufe expandiert und sich dabei abkühlt, wieder von dem Luftverdichter ansaugen zu lassen, und zwar aus folgenden Gründen Das Verfahren, zur Herabsetzung der Temperatur kaltes \i asser in die Arbeitszylinder und Zwischenkühler der Luftverdichter einzuspritzen, ist dann besonders wirksAm, wenn das einzuführende M-asser fein zerstäubt und gleichmäßig in der Luft verteilt wird, weil dann der Wärmeübergang von der Luft an das M asser schneller erfolgen kann. Dieses Einführen fein zerstäubten \\ assers und das gleichmäßige Verteilen desselben in der Druckluft bereitet Schwierigkeiten und erfordert meist verwickelte Vorrichtungen.
• Wird aber die Luft, in die während des Arbeitsvorganges M-asser eingespritzt wurde und die sich mit dem Wasser während der Expansion in der letzten Arbeitsstufe abkühlte, wiederum von dem Luftverdichter angesaugt, dann tritt sie übersättigt in den Arbeitszylinder desselben ein, und ein Teil des Wassers wird mitgerissen und als feiner Nebel in der angesaugten Luft schweben, so daß dann kein oder nur noch wenig fein zerstäubtes Wasser in den Arbeitszy linder des Luftverdichters eingespritzt zu werden braucht. Ferner gelangt das von der Druckluft mitgerissene Schmieröl wieder in die Arbeitszylinder des Luftverdichters und kommt so wieder zur Verwendung.
• Ebenso ist es vorteilhaft, dasselbe Wasser, das der Druckluft zugesetzt wurde, ferner das M"asser, welches zur äußeren Erwärmung diente, nach der Abkühlung wieder von neuem für diese Zwecke zu benutzen. Das bietet folgendeVorteile: Es kann destilliertes Wasser zum Kühlen der Arbeitszylinder des Verdichters und der Brennkraftmaschine benutzt werden. Die Anwendung destillierten Wassers verhindert die Bildung von Rückständen in den M assermänteln des Luftverdichters und der Brennkraftmaschine, ferner in den Zwischenüberhitzern, den M assermänteln der Sekundärstufe usw. Diese Rückstände verhindern durch ihre isolierende V6 irkung eine wirksame Kühlung, so daß wegen der hohen Temperaturspannungen leicht Risse und Brüche auftreten. Ferner beeinträchtigen diese Rückstände die Wärmeübertragung in den Zwischenüberhitzern usw. Bei Seewasser und überhaupt bei kalkhaltigem Wasser darf eine bestimmte Temperatur nicht überschritten werden, um die Bildung von Rückständen zu vermeiden. Destilliertes V, asser hingegen gestattet die Anwendung einer Heißkühlung des Verbrennungsmotors, die für die vorliegenden Zwecke besonders vorteilhaft ist. Es braucht auch kein großer M asservorrat vorhanden zu sein, sondern es sind nur die Verluste durch Undichtheiten, z. B. in den Stopfbuchsen, Rohrabdichtungen usw., zu ersetzen. Das ist für Anlagen auf Schiffen und Lokomotiven besonders wichtig.
• In folgendem soll nun die Erfindung an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden In Abb. = sind i der Arbeitszylinder eines zweistufigen Verdichters, 2 das Saugventil, 3 das Druckventil der Niederdruckstufe, 4 das Saugventil, 5 das Druckventil der Hochdruckstufe, 7 der Kühlwassermantel des Arbeitszylinders, 8 der zwischen beiden Arbeitsstufen eingeschaltete Zwischenkühler, g der Arbeitszylinder des Verbrennungsmotors, welcher den Luftverdichter antreibt, io der Wassermantel des Arbeitszylinders des Verbrennungsmotors, ii der wassergekühlte Zylinderdeckel des letzteren, i2 der Hochdruckzylinder des Druckluftmotors (Sekundärstufe), der beispielsweise durch den Schieber 13 gesteuert wird, 1q. die Einlaßöffnung für das Treibmittel in der Hochdruckstufe, 15 die Auslaßöffnung für das Treibmittel in der Hochdruckluft, 16 der Niederdruckzylinder des Druckluftmotors, der durch den Schieber 17 gesteuert wird, 18 die Einlaßöffnung für das Treibmittel in der Niederdruckstufe, i9 die Auslaßöffnung für das Treibmittel in der Niederdruckstufe, 2o der Wassermantel, der den größten Teil des Hoch- und N iederdruckzylinders umschließt.

  Bei dem Ausführungsbeispiel ist angenom-

  men, daß die im N iederdruckzylinder des Druck-

  luftmotors expandierte und dabei abgekühlte

  Luft wieder von dem Verdichter angesaugt wird,

  und daß ebenso das der Luft beigemischte

  `Wasser, ferner das in den Mänteln der Sekundär-

  stufe und der zu dieser führenden Rohr-

  leitung vorhandene wieder zur Verwendung

  gelangt.

  Die von der Niederdruckstufe des Druckluft-

  motors strömende feuchte Luft wird durch das

  Saugventil 2 angesaugt und verdichtet. Falls

  das der Luft beigemischte M asser nicht genügt,

  kann durch den Zerstäuber 21 noch fein zer-

  stäubtes Wasser zugeführt werden. Das Ge-

  misch von Luft und Wasser (Dampf) gelangt

  dann durch das Druckventil 3 und die Rohr-

  leitung 22 in den Zwischenkühler 8, wird hier

  durch Einspritzen von M, asser, allenfalls auch

  durch äußere Kühlung weiter abgekühlt und

  strömt durch die Rohrleitung 23 und das Saug-

  ventil .4 in den Hochdruckzylinder des Luft-

  verdichters, wird hier verdichtet, und zwar,

  falls es notwendig ist, unter Beimengung fein

  zerstäubten Wassers durch die Düse 2.4. Das

  Gemisch verläßt den Hochdruckzylinder durch

  das Druckventil 5 und strömt durch die Rohr-

  leitung 25 in den Überhitzer 26, der mit den

  Überhitzern 27 und 28 in einem gemeinsamen

  Gehäuse 29 untergebracht ist.

  Die Überhitzer bestehen hier beispielsweise

  aus Röhren, die durch Auspuffgase geheizt

  werden, welche von dem Verbrennungsmotor

  aus durch das Rohr 30 in das Gehäuse eintreten

  und es durch das Rohr 31 wieder verlassen.

  Zur Verstärkung der Wirkung kann eine zu-

  sätzliche Heizung durch den einen Olbrenner 32

  oder auf eine andere Weise vorgesehen werden.

  Aus dem Überhitzer gelangt das erhitzte

  Gemisch durch die Rohrleitung 33 in den Hoch-

  druckzylinder 12 des Druckluftmotors. Auf dem

  Wege dahin kann ihm noch hocherhitztes

  M'asser oder Dampf beigemischt werden, um das

  Arbeitsvermögen des Treibmittels weiter zu er-

  höhen. Nachdem das Treibmittel im ITÖch-

  druckzylinder des Druckluftmotors Arbeit ge-

  leistet und sich dabei abgekühlt hat, wird es

  durch die Rohrleitung 34. in den Zwischenüber-

  hitzer 27 geleitet, wird dort erhitzt und strömt

  unter Beifügung von hocherhitztem M asser

  oder Dampf durch die Rohrleitung 35 in den

  Niederdruckzvlinder des Druckluftmotors.

  Nachdem es hier Arbeit geleistet hat, wird das

  abgekühlte Gemisch von Luft und `j asser durch

  die Rohrleitung 36 in den Wasserabscheider 37

  geführt, dort sondert sich ein Teil des \t assers

  ab. Die übersättigte Luft wird durch die Rohr-

  leitung 38 wieder vom Luftverdichter angesaugt.

  Das in dem M asserabscheider abgesonderte

  kalte M asser wird durch die Pumpe 4.o ange-

  saugt. Der eine Teil desselben wird durch die

  Rohrleitung .4r, die absperrbaren Zweigleitungen

  50, 51 und 52 in die Arbeitsräume des Luft-

  verdichters und den Luftraum des Zwischen-

  kühlers eingespritzt.

  Der andere Teil des von der Pumpe ange-

  saugten kalten Wassers wird durch die Rohr-

  leitungen q.1 und 39, den Kühlwassermante17

  des Verdichters, die Rohrleitung q.2; den Zwi-

  schenkühler 8, die Rohrleitung q.3, den Kühl-

  wassermantel ro des Verbrennungsmotors und

  die Rohrleitung 44 in den Überhitzer 28 ge-

  drückt und w=ird darin als hocherhitztes Wasser

  oder Dampf zum Teil durch die Rohrleitung 45

  in den Wassermantel 2o des -Druckluftmotors

  geleitet und tritt nach der Abkühlung in dem-

  selben durch die Rohrleitung 46 und das Rück-

  schlagventil 47 wieder in das Rohr a4. ein. Zum

  Teil wird das in dem C;berhitzer 29 hocherhitzte

  Wasser (Dampf) durch die absperrbaren Zweig-

  leitungen ,I8 und 4.9 dem aus den Überhitzer 26

  strömenden Treibmittel zugesetzt.

  In Abb._2 ist das Verfahren in einem zweiten

  Ausführungsbeispiel erläutert.

  53 ist der Arbeitszylinder eines Verbrennungs-

  motors, der mit einem Luftverdichter 54. und

  einem zweistufigen Druckluftmotor 55 gekup-

  pelt ist. Der Luftverdichter und der Druckluft-

  motor werden hier durch eine gemeinsame Kur-

  bel angetrieben. Die Luft wird wie bei dem Aus-

  führungsbeispiel z durch Einspritzen von kaltem

  Wasser und äußere Kühlung gekühlt. Das Ge-

  misch von Druckluft und N@ asser (Dampf) wird

  in einem der Vorwärmer, die in dem Gehäuse 56

  gelagert und die durch Auspuffgase geheizt sind,

  hoch erhitzt und der Hochdruckstufe 57 des

  Druckluftmotors zugeführt. Dort expandiert

  das Treibmittel arbeitsverrichtend und kühlt

  sich dabei ab. In dem zweiten im Gehäuse 56

  gelagerten Überhitzer wird es wieder erwärmt

  und in die N iederdruckstufe 58 des Druckluft-

  motors geleitet. Nach der Expansion wird das

  Gemisch von Luft und Wasser in den Wasser-

  abscheider 59 geführt. Das abgeschiedene

  M asser wird von der Pumpe 6o zum Teil in den

  Arbeitsraum des Luftverdichters gedrückt, zum

  andern Teil durch den Wassermantel des Luft-

  verdichters und des Verbrennungsmotors in den

  dritten im Gehäuse 56 gelagerten Überhitzer.

  Das hier erwärmte v: asser (Dampf) wird zum

  Einspritzen in das Treibmittel und zum Heizen

  der Sekundärstufe benutzt. Die Rohrleitung,

  deren Führung hier nicht beschrieben ist, wird

  ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel Abb. x

  angeordnet. '

  Ein drittes Ausführungsbeispiel des Verfah-

  rens zeigt Abb. 3. 61 ist der Arbeitsraum des

  Zylinders eines Verbrennungsmotors. Der auf

  der anderen Seite des Arbeitskolbens gelegene

  Zylinderraum dient als Arbeitsraum eines Luft-

  verdichters und zugleich eines Druckluftmotors.

  Die Arbeitsweise ist folgende:

  Durch das Saugventil 64. strömt Luft; sie wird unter Einspritzen von Wasser und äußerer Kühlung verdichtet und verläßt den Zylinder durch das gesteuerte Druckventil 65, strömt in den im Gehäuse 66 gelagerten, durch Auspuffgase erwärmten Überhitzer und gelangt von dort aus hoch erwärmt durch das gesteuerte Einlaßventil 67 in den Zylinderraum und dehnt sich hier arbeitsverrichtend aus. Durch das ebenfalls gesteuerte Auslaßventil 68 strömt das Gemisch in den Wasserabscheider 69. Die übersättigte Luft wird von hier wieder abgesaugt, das abgeschiedene Wasser durch die Pumpe ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel i dem Arbeitsprozeß zugeführt. Die Rohrleitung, deren Führung hier nicht beschrieben ist, wird ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel Abb. i angeordnet.
• Die Regelung der Temperatur der Druckluft kann auf folgende Weise erfolgen Sie kann erhöht werden durch Verminderung der Menge des kalten Einspritzwassers, durch Inbetriebsetzung der Zusatzheizung 32, erniedrigt durch Vergrößerung der Menge des kalten Einspritzwassers, ferner auch dadurch, daß nur ein Teil der Auspuffgase in das überhitzte Gehäuse geleitet wird.
• Die Temperatur des Kühlwassers kann vermindert werden dadurch, daß man das umlaufende Wasser nur durch einen Teil der Kühlräume des Luftverdichters, Zwischenkühlers, Verbrennungsmotors führt und den anderen Teil durch Wasser kühlt, das nicht zur Erhöhung des Arbeitsvermögens der Luft benutzt wird und nicht an dem Arbeitsprozeß teilnimmt. Die Temperatur der Luft kann ferner vermindert werden dadurch, daß man nur einen Teil der Auspuffgase durch das Gehäuse 29 schickt oder auch dadurch, daß man in der Wasserleitung einen Rückkühler nebenschaltet, in welchem nach Bedarf die Temperatur des ganzen oder nur eines Teils des Kühlwassers erniedrigt wird.
• Erhöht kann die Temperatur des M assers dadurch werden, daß man die Wassermenge vermindert oder durch Inbetriebsetzung der Zusatzheizung 32 die zugeführte Wärmemenge vergrößert.
• Der Luftverdichter kann beliebig viel Stufen besitzen, ebenso der Druckluftmotor. Die Zahl der Zwischenkühler und Überhitzer ändert sich dann sinngemäß. Statt das Gemisch von Druckluft und Wasser (Dampf) durch Auspuffgase zu heizen, kann es durch das heiße Kühlwasser, das durch Auspuffgase hoch überhitzt wird, erwärmt werden. Anstatt Wasser kann auch eine andere geeignete Flüssigkeit dem Arbeitsprozeß zugeführt werden.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Druckluftanlage mit Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß in die Druckluft während der Verdichtung im Luftverdichter (Primärstufe) in der bei isothermischer Verdichtung bekannten «"eise kaltes Wasser oder eine andere geeignete Flüssigkeit eingeführt und dieses kalte Gemisch von Druckluft und Wasser (Dampf) in einem besonderen Vorwärmer, der durch die Auspuffgase oder das heiße Kühlwasser, dessen Temperatur durch die Auspuffgase noch weiter gesteigert werden kann, erhitzt wird.
2. 2. Anlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Menge oder nur ein Teil des Kühlwassers des Luftverdichters und der Brennkraftmaschine, das durch die_Auspuffgase weiter erhitzt und in Dampf verwandelt werden kann, in die Druckluft vor oder nach deren Eintritt in die Arbeitszylinder des Druckluftmotors (Sekundärstufe) eingespritzt wird. 3: Anlage nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Menge oder nur ein Teil der Auspuffgase und des Kühlwassers des Luftverdichters und der Brennkraftmaschine, welches durch Auspuffgase weiter erhitzt und in Dampf verwandelt werden kann, zur äußeren Erwärmung des Arbeitszylinders des Druckluftmotors (Sekundärstufe) und der zu diesem führenden Druckluftleitungen verwendet wird. q.. Anlage nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der Wärmezufuhr in den Überhitzern eine besondere Heizquelle angeordnet wird. 5. Anlage nach Anspruch i bis q, bei der die Expansion im Druckluftmotor in mehreren Stufen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das während der Expansion in einer Arbeitsstufe des Druckluftmotors abgekühlte Gemisch von Druckluft und Wasser (Dampf) zwischen je zwei Stufen in einem besonderen Überhitzer durch die Abgase wieder erwärmt wird. . 6. Anlage nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in der letzten Arbeitsstufe des Druckluftmotors (Sekundärstufe) expandierte Luft wieder von dem Luftverdichter (Primärstufe) angesaugt wird. 7. Anlage nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das in den letzten Arbeitsstufen des Druckluftmotors (Sekundärstufe) oder nach derselben abgeschiedene Wasser wieder dem Arbeitsprozeß zugeführt wird.