DE4301887A1

DE4301887A1 - Gas- Dampf- Verfahren

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Publication number: DE4301887A1
Application number: DE4301887A
Authority: DE
Original assignee: STRUCK WILFRIED
Current assignee: STRUCK WILFRIED
Priority date: 1993-01-14
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1994-07-21

Description

Es ist bekannt, daß bei Gasturbinen und Dieselmotoren zum Zweck der Senkung der NO_x-Emission Wasser in die Brenn räume eingespritzt wird. (Zeitschrift "ENERGIE" Jahrgang 1992, Heft 6, Seite 34 und Heft 7, Seite 42).

Die Herabsetzung der Brenngastemperatur durch die Verdampfung des Wassers wirkt sich hierbei materialtechnisch ebenfalls vorteilhaft aus. Jedoch konnte der Wirkungsgrad von Verbren nungskraftmaschinen dadurch nicht verbessert werden.

Durch die Anwendung eines anderen Verfahrens wird dies dagegen in der Kraftwerkstechnik erreicht. So setzt sich weltweit der Betrieb von kombinierten Gas- und Dampf-Kraftwerken (GUD) durch, wobei die Energie der heißen Abgase der Gasturbinen zur Erzeugung gespannten Wasserdampfes für nachgeschaltete Dampfturbinen genutzt wird.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Prinzip der Abwärmenutzung zur Herstel lung gespannten Wasserdampfes für die Verrichtung mechanischer Arbeit mit einem gegenüber dem bekannten GUD-Verfahren verringerten technischen Aufwand nicht nur für die Kraft werkstechnik, sondern allgemein für Verbrennungskraftmaschi nen realisierbar zu machen.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Sprüht man in eine mit heißen, unter Druck stehenden Brenngasen gefüllte geschlossene Kammer Wasser ein, so verringern sich insbesondere wegen der hohen spezifischen Verdampfungswärme (und der gegenüber der spezifischen Wärme der Brenngase höheren spezifischen Wärme des jetzt entstehenden Wasser dampfes) die Temperatur und der Druck der Ladung gegenüber den Ausgangswerten erheblich (für den Gasturbinenprozeß bedeutet dies allerdings wegen des Massenstromanwachses keinen proportionalen Leistungsabfall).

Wesentlich günstiger bezüglich Wirkungsgrad und Leistung wirkt sich die Zufuhr von Wasserdampf (des vorher mittels Abwärmeverwertung verdampften Wassers) in die Kammer aus. Die Temperaturdifferenz des Brenngas-Dampf-Gemisches gegenüber der Ausgangstemperatur des Brenngases ist geringer als bei direkter Wassereinspritzung, und der Enddruck der Ladung ist höher als der Ausgangsdruck in der Brennkammer. (Bei dem stattfindenden Wärmeaustauschprozeß fällt zwar der Partialdruck der auf die Mischtemperatur abkühlenden Brenngases, doch der Partialdruck des Wärme aufnehmenden zugeführten Wasserdampfes steigt so weit an, daß der Gesamtdruck über dem Ausgangsdruck liegt.)

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Wirkungsgrad und die Leistung von Verbrennungskraftmaschinen gesteigert werden.

Neben der dadurch sinkenden CO₂-Belastung (für gegenüber herkömmlichen Verfahren gleichen Nutzenergiemengen) der Umwelt bleibt der Nutzen herkömmlicher Verfahren hinsichtlich der Verringerung der NO_x-Emission erhalten.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher erläutert.

Beispiel A Anwendung des Gas-Dampf-Verfahrens bei Gasturbinen

In der Gasturbinenanlage mit offener Gleichdruckbrennkammer erhöht sich bei Dampfzufuhr nicht der Druck, sondern - entsprechend das Durchgangsvolumen (neben dem Massenstrom anwachs). Um dies praktisch zu realisieren, kann durch kontinuierlich fördernde Wasserpumpen Wasser zuerst durch den Zwischenkühler für die verdichtete Luft gedrückt werden, dann in einem der Turbine nachgeschalteten Wärmeaustauscher mittels Abgaswärme verdampft und im weiteren Wärmeaustausch in der Brennkammerwandung überhitzt werden, ehe es in den Brennraum gelangt. Der Pumpenausgangsdruck muß hierzu im gerade erforderlichen Maße über dem Brennkammerdruck liegen, da ein zu hoher Überdruck wegen der entsprechenden Dampfentspannung in der Brennkammer die erwünschte Wirkungs graderhöhung des Prozesses mindert.

Der durch das Verfahren bedingte technische Mehraufwand liegt bedeutend unter jenem für die Nachschaltung einer Dampfturbinenanlage (GUD-Verfahren).

Neben der Wirkungsgradverbesserung läßt sich die mögliche Leistungserhöhung nicht nur materialtechnisch begründen, da der gut steuerbare Kühleffekt (ein Teil des erzeugten Wasserdampfes wird nicht in die Brennkammer geblasen, sondern der zweiten Turbinenstufe zugedüst) sowohl zur Senkung der Turbineneintrittstemperatur führt, als auch den herkömmlichen Aufwand für die bereitzustellende Sekundär luftmenge kompensieren kann.

Es liegt auf der Hand, daß für die Anwendung des Verfahrens die Durchführung des mehrstufigen Prozesses (mit Zwischen überhitzung) von Vorteil ist, wobei Nachbrennkammern in das Verfahrensprinzip einbezogen werden.

Mit entsprechenden Abstrichen bei der Wirkungsgraderhöhung kann das Verfahren auch mit minimalem Aufwand realisiert werden, indem Wasser nicht wie herkömmlich in das Brennkam merinnere gedüst, sondern entlang der Brennkammerinnen wandung gestrahlt wird. Düsenform-, Strahlrichtung und Ober fläche der Innenwandung müssen dann dergestalt ausgeführt werden, daß nur ein minimaler Anteil des Wassers direkt durch die Brenngaswärme verdampft und die Verdampfungs wärme zum wesentlichen Anteil der Wandung entzogen wird (zur exakten Darlegung soll hier darauf gewiesen werden, daß im Falle der Gesamtwandbenetzung die zur Verdampfung erforderliche Wärmemenge zwar im wesentlichen direkt durch die Brenngase an das Wasser abgegeben wird, sich jedoch hierbei gleichzeitig die Wärmeabgabe der Brenngase an die Wandung minimiert - im Gegensatz zur herkömmlichen Verdampfung des Wassers im Brennrauminneren).

Um die Schadstoffbelastung der Umwelt zu senken, sollte zumindest bei ölbefeuerten Anlagen die verfahrensbewirkte Abgaskühlung bis unter den Taupunkt des Wassers fortgesetzt werden, um einen kontinuierlichen Wasserkreislauf zu ermög lichen oder zumindest das Kondensat zu neutralisieren (im einfachsten Fall kann dies bekanntlich durch Eindüsung von Kalkmilch in den Abgasstrom realisiert werden).

Beispiel B Anwendung des Gas-Dampf-Verfahrens bei Dieselmotoren

Bei Hubkolbenmotoren muß die Wasserdampfzufuhr in den Brennraum diskontinuierlich, unter entsprechend hohem Druck erfolgen. Die erforderliche Wasser-Hochdruckpumpe läßt sich jedoch gegenüber der herkömmlichen Einspritzpumpe des Dieselmotors wesentlich einfacher und kleiner ausführen (kontinuierliche Förderung). In der Zylinderkopfwandung kann der analog Beispiel A erzeugte Dampf gepuffert und gleichzeitig mit dem hierbei verdampfenden Kraftstoff vereint werden. Das Eindüsen zum Arbeitstakt kann über ein Hubventil mit steuerbarer Hubhöhe oder über einen Drehschieber geschehen.

Eine andere Möglichkeit für die Steuerung der Kraftstoff zufuhr besteht darin, den Kraftstoff erst nach dem Dampf ventil in die in den Brennraum führende Düse einzuspritzen. In diesem Fall ist die Hubhöhensteuerung des Dampfventils nicht unbedingt erforderlich, und es besteht zudem der Vorteil, Dampf- und Kraftstoffzufuhr zum Brennraum zeitlich aufeinander abstimmen zu können (die Verbrennungsqualität kann sich verbessern, wenn bereits vor dem Verbrennungs beginn Wasserdampf in den Brennraum strömt).

Zwar ist hierfür wieder eine diskontinuierlich fördernde Kraftstoffpumpe notwendig, jedoch kann diese mit einem relativ geringen Einspritzdruck arbeiten, da der Kraftstoff durch den Dampfstrahl aufbereitet (Verteilung, Verdampfung) wird.

Im Interesse einer sinkenden Umweltbelastung sollten die verfahrensbedingt vorgekühlten Abgase zur Wasserkondensation weitergekühlt werden (bei Fahrzeugen z. B. durch Nutzung der Fahrwindkühlung). Das Kondensat kann dann aufgefangen und neutralisiert werden.

Beispiel C Anwendung des Gas-Dampf-Verfahrens bei Dreh- und Kreiskolbenmotoren

Unter den herkömmlichen Kolbenverbrennungsmaschinen eignet sich der Wankelmotor besonders gut zur Verfahrensanwendung.

Analog zum Beispiel A wird das Wasser mit dem erforder lichen Druck kontinuierlich erst durch den Abgaswärme austauscher und dann durch die Brennraumhohlwand gefördert.

Der Dampf kann näherungsweise in Kolbendrehrichtung in die Brennstrecke geblasen werden, um die Durchbrenngeschwindig keit der Flammfront positiv zu beeinflussen.

Herkömmliche Vergaser erübrigen sich, wenn der Kraftstoff in den Wasserdampfstrahl in oder hinter der Einströmdüse gespritzt wird. Im Bereich des engsten Brennraumquerschnittes kann außerdem Wasser direkt (analog dem in Beispiel A Darge legten) gegen den Kolben gespritzt werden. So läßt sich zugleich einer Kolbenüberhitzung vorbeugen.

Claims

1. Gas-Dampf-Verfahren für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß vollständig oder zum wesentlichen Anteil durch Abwärmenutzung zu verdampfendes Wasser dem Brennraum oder Arbeitsraum von Verbrennungskraftmaschinen zur Arbeitsverrichtung zugeführt wird.

2. Gas-Dampf-Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere überhitzter Wasserdampf in den Brenn raum oder Arbeitsraum von Verbrennungskraftmaschinen geblasen wird.

3. Gas-Dampf-Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser insbesondere auf eine solche Weise in den Brennraum gedüst wird, daß die für die sich anschließen de Wasserverdampfung notwendige Wärmemenge zum möglichen maximalen Anteil im direkten Wärmeaustausch von den Brennraum umschließenden Teilen und nur zum möglichen minimalen Anteil den Brenngasen im direkten Wärmeaustausch entzogen wird.

4. Gas-Dampf-Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verbrennungskraftmaschinen der Kraftstoff insbesondere durch den in den Brennraum strömenden Wasserdampf für die Verbrennung aufbereitet wird.