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Einrichtung mit einem thermischen Druckgaserzeuger und einer Druckgaskraftmaschine.
Da die Brennkraftmaschinen nur mit einer bestimmten Umlaufszahl wirtschaftlich arbeiten,
außerdem aber nicht unter Belastung angelassen werden können, so hat man bereits,
insbesondere für den Antrieb von Lokomotiven mittels Brennkraftmaschinen, vorgeschlagen,
den Antrieb nicht unmittelbar durch die Brennkraftmaschine, sondern mittels Druckluftkraftmaschinen
zu bewirken, für die die Druckluft durch die Brennkraftmaschine mittels eines Verdichters
erzeugt wird. Derartige Anlagen gestatten wohl die Erzeugung von Druckluft beliebig
hohen Druckes, besitzen jedoch den Nachteil, daß sie aus drei 'Maschinengruppen,
und zwar aus der Brennkraftmaschine, aus dem Verdichter und aus den Druckluftmotoren,
bestehen. Andererseits sind thermische Druckgaserzeuger bekannt, bei welchen atmosphärische
Luft ohne nennenswerten Aufwand von äußerer mechanischer Arbeit, lediglich infolge
der unmittelbaren Wirkung der durch Innenverbrennung erzeugten Wärme, auf eine höhere
Spannung gebracht und so zum Antrieb von Druckluftkraftmaschinen verwendet wird.
Bei derartigen Anlagen entfallen wohl die besonderen Brennkraftmaschinen, doch besitzen
sie den Nachteil, daß die Druckluft nur mit einem verhältnismäßig niedrigen Druck
erzeugt werden kann, wodurch eine niedrige spezifische Leistung sowohl der anzutreibenden
Druckluftmotoren als des Druckgaserzeugers bedingt wird. Ein thermischer Verdichter
wirkt nämlich am günstigsten, wenn das Verdichtungsverhältnis gering ist. Da aber
zwecks Erzielung einer großen spezifischen Leistung eines durch die erzeugte Druckluft
zu speisenden Druckluftmotors möglich hoch verdichtete Luft verwendet werden muß,
so sollten bisher zu diesem Zwecke mehrere Verdichter hintereinandergeschaltet werden,
damit die Luft in mehreren Stufen verdichtet werde. Wollte man den Druckluftmotor
mit Luft von 9 Atm. speisen, so würde man zweckmäßig zunächst einen Verdichter verwenden,
der die Luft von r auf 3 Atm. verdichtet, und einen zweiten Verdichter, der den
Druck von 3 auf 9 Atm. erhöht. Ein jeder der beiden Verdichter würde in diesem Falle
bloß j e mit einem Verdichiungsverhältnis von r : 3 statt mit dem Verdichtungsverhältnis
von t : 9 arbeiten. Bezüglich der Verdichter wäre also die Bedingung des geringen
Verdichtungsverhältnisses
erfüllt. Anders verhält es sich aber mit
dem Druckluftmotor, da in diesem die Luft von 9 Atm. bis auf den atmosphärischen
Druck expandiert werden muß, so daß das Expansionsverhältnis 9 : r beträgt. Das
Gestänge müßte demnach für die bei dem Höchstdruck von 9 Atm. auftretenden Beanspruchungen
bemessen werden, wogegen für die Leistung der Maschine nur der mittlere Druck maßgebend
ist, welcher nur einen Bruchteil des Höchstdruckes beträgt.
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Allerdings könnte dieser Nachteil durch Unterteilung des Zylinders
in einen Hochdruck- und Niederdruckzylinder beseitigt werden, doch müßte damit eine
Multiplikation der Gestänge und der Reibungsverluste in Kauf genommen werden.
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Außerdem würde die Maschine infolge des größeren Expansionsverhältnisses
verhältnis-
mäßig große Arbeitszylinder erfordern, so daß der volumetrische
Wirkungsgrad und die spezifische Leistung der Maschine niedrig ausfällt, die Maschine
also für Lokomotivbetrieb ungeeignet wird. Es müßte nun schon darin ein Fortschritt
erblickt werden, daß man den Druckluftmotor nicht zwischen 9 und r Atm. Druck, sondern
nur zwischen den Druckgrenzen von 9 und 3 Atm. arbeiten läßt und die mit 3 Atm.
aus dem Motor austretende Druckluft unter Fortfall der ersten Stufe des Verdichters
gleich der zweiten Stufe desselben zuführt. Dabei würde also der eine der Verdichter
und der Niederdruckzylinder des Motors fortfallen. Zur Erzielung derselben Leistung
müßten die nunmehr alleinigen Hochdruckzylinder der Pumpe und des Motors nur unbedeutend
größere Abmessungen erhalten, um die Entspannungsarbeit des N iederdruckzy linders
zu ersetzen.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß zur praktischen Verwirklichung
derartiger thermischer Druckgaserzeuger in denselben ein an und für sich bekannter
Wärmespeicher verwendet werden muß, dessen Durchströmungsspalte zwecks Erzielung
hoher Wärmeübergangskoeffizienten bei kleinem schädlichen Raum äußerst eng ist,
man also mit der Spaltweite bis zu wenigen Hundertstel Millimetern heruntergeht.
Derartige Wärmespeicher erzeugen infolge ihres Durchströmungswiderstandes einen
Druckabfall, der im Verhältnis zu der mittels eines thermischen Druckgaserzeugers
erzielbaren geringen Drucksteigerung einen den Wirkungsgrad bedeutend schmälernden
Verlust bildet.
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Die erwähnten Nachteile können dadurch beseitigt werden, daß man eine
Verdichtung verwendet, die aus einer Druckluftkraftniaschine und aus einem mit Innenverbrennung
arbeitenden thermischen Druckgaserzeuger besteht und bei der das durch die Ausströmstellen
der Druckgasmaschine austretende, bis auf eine ein Mehrfaches des atmosphärischen
Druckes betragende Endspannung entspannte Druckgas wieder dem Druckgaserzeuger derart
zugeführt wird, daß die Druckerzeuger- und Druckgasmaschine für das Druckgas einen
geschlossenen Kreislauf bilden, in dem die zur Durchführung der Innenverbrennung
erforderlichen Frischgase eingeführt und aus dem die den eingeführten Frischgasen
entsprechenden Mengen Verbrennungsgase ausgeschieden werden. Bei einer derartigen
Anlage kann der mittlere Druck trotz des verhältnismäßig geringen Verdichtungsverhältnisses
dadurch beliebig erhöht werden, daß man den niedrigsten Druck des geschlossenen
Kreislaufes entsprechend hoch über den atmosphärischen Druck setzt. Dadurch nun,
daß die Anlage zwischen einem den atmosphärischen übersteigenden Mindestdruck und
einem diesen Mindestdruck im Verdichtungsverhältnis übersteigenden Höchstdruck arbeitet,
wird sowohl für die Druckgasmaschine als für den Druckgaserzeuger eine ,günstige
spezifische Leistung erzielt.
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Es ist ferner zu berücksichtigen, daß beim thermischen Verdichter
die Wärmeverluste an den Wandungen des warmen Arbeitsraumes auftreten, so daß es
darauf ankommt, aus einem warmen Arbeitsraum gegebener Größe die größtmöglichste
Leistung herauszubringen. Dies wird bei der Anordnung gemäß der Erfindung eben dadurch
erzielt, daß der warme Arbeitsraum des Verdichters beim Saugen nicht mit einer Luft
von atmosphärischem Drucke, sondern bereits mit einer Luft höheren Druckes, etwa
von roAtm. Druck, gespeist wird, also .das zehnfache Gewicht von Arbeitsmittel verarbeitet,
als wenn der Verdichter die Gase mit atmosphärischem Druck ansaugen würde. Aber
nicht nur die Wärmeverluste des warmen Arbeitsraumes, sondern auch die übrigen Verluste,
welche in dem thermischen Verdichter auftreten, sind von dem Drucke abhängig, so
daß bei Steigerung des mittleren Druckes das Verhältnis dieser ständigen Verluste
zur Leistung des Verdichters immer ,günstiger ausfällt: Diese Verhältnisse treten
aber nur bei einem thermischen Verdichter auf, bei dem die durch Innenverbrennung
erzeugte Arbeit nicht durch ein Gestänge auf die zu verdichtenden Gase übertragen
wird. Der thermische Verdichter kann nämlich in der Weise aufgefaßt werden, daß
der an der einen Seite des Verdrängers u befindliche warme Arbeitsraum die eigentliche
Brennkraftmaschine bildet, .die ohne Vermittlung eines Gestänges die Kraftwirkung
unmittelbar auf den an der anderen- Seite des Verdrängers u liegenden kalten Arbeitsraum,
der
als der eigentliche Verdichter -betrachtet werden kann, überträgt. Bei einem Kolbenverdichter,
der durch eine besondere Brennkraftinaschine angetrieben wird, stehen die Verhältnisse
anders. Je höher der mittlere Druck des Verdichters ist, desto größer fällt die
Beanspruchung des Gestänges aus,
welchen der Antrieb von der Kraftmaschine
auf dein Verdichter zti vermitteln hat, und desto größer sind auch die im Gestänge
auftretenden Verluste.
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Versuche haben ferner ergeben, daß die absolute Größe des durch den
Reibur gswiderstand eines Wärmespeichers der obenerwähnten Art erzeugten Druckabfalles
voll dein Drucke des Arbeitsmittels praktisch unabhängig ist. Die durch diesen Druckabfall
ei zeugten Verluste nehmen, wenn der mittlere Druck erhöht wird, im Verhältnis zli
diesem für die Leistung maßgebenden mittleren Druck ab. Es trägt also auch dieser
Umstand bei Steigerung des mittleren Druckes zur Erhöhung des Wirkungsgrades der
Maschine bei.
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Damit aber eine derartige Anlage wirksam sei, so ist es erforderlich,
dem Arbeitsmittel nicht nur Wärme zuzuführen, sondern es ist auch unbedingt nötig,
die der kalten Arbeitsleistung des Kreislaufes entsprechende Wärmemenge dadurch
abzuleiten, daß zwischen der kalten Seite des Wärmespeichers und der Druckgasmaschine
ein Kühler eingeschaltet ist.
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In der Zeichnung ist eine derartige, für gasförmigen Brennstoff eingerichtete
Anlage schematisch dargestellt.
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a2 ist die die Nutzarbeit liefernde Druckluftkraftiiiaschine, z. B.
eine Druckluftturbine, die aus dem Druckgasbehälter d2 mit dem Druck P2 gespeist
wird. Nach Arbeitsleistung gelangen die Abgase des Druckluftinotors a, iii den Druckbehälter
a, mit einem Druck P,. Statt einer Druckluftturbine kann man eine oller eine größere
Anzahl anderer Druckgasinaschinen, z. B. Kolbeiiinotoren, Druckluftwerkzeugmaschinen
oder ganze Druckluftarbeitsanlagen, in den Kreislauf zwischen die beiden Druckluftbehälter
d, und d2 einschalteil. Beträgt z. B. der Druck P., etwa 3o Atm., so mag der Druck
P, im Behälter d, etwa io Atin. betragen. Obwohl der in dem-Druckluftmotor a2 zur
Geltung kommende mittlere Druck sehr bedeutend ist, also etwa :2o Atm. beträgt,
ist die Verdichtungsstufe von P, auf P= bloß 1 : 3.
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a, ist der Kraftgaserzeuger, dessen Kolben if. wohl mit einer Kurbelwelle
3 gekuppelt ist, doch leistet der Erzeuger im Verhältnis zti der Gesamtleistung
überhaupt keine oder nur eine unwesentliche Nutzarbeit an der Kurbelwelle 3, während
der überwiegende Teil der durch den Erzeuger 'geleisteten Ar= beit in der Foren
von Druckgasen mit dem Druck P2 aus dem Arbeitsraum des Erzeugers abgc.zäpft und
illi Druckbehälter d2 aufgespeichert wird, so daß die Maschine nicht als Kraftmaschine,
sondern lediglich als thermischer Druckgaserzeuger arbeitet. Die Einströmungsventile
g des Druckgaserzeugers stehen mit dein Druckgasbehälter r1, in Verbindung, so daß
die während des Saughubes des Druckgaserzeugers in den Arbeitsraum durch die Ventile
g einströmenden Gase bereits einen Anfangsdruck von mehreren; in vorliegendem Falle
von io Atm. besitzen. Iin Druckgaserzeuger beträgt das Verdichtungsverhältnis der
Verdichtung der Arbeitsgase trotz Erzielung des - hohen Druckes von 3o Atm. bloß
1 :3, ist also verhältnismäßig gering.
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q ist die Frischluftpumpe und b die Brenlistoffpumpe, die von der
Kurbelwelle 3 angetrieben werden, und k ist ein. auf die Kurbel-,velle wirkender
Niederdruckinotor, der durch die Auspuffgase des Druckgaserzeugers u, gespeist wird
und in dem die Auspuffgase vom Druck P, auf etwa den ätmosphärischen Druck expandieren,
bevor sie auspuffeil.
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R- ist ein in den Druckgaserzeuger eiligebauter Wärinespeicher, und
r, sowie r4 sind Hilfswärmespeicher, durch die wechselweise die Frischgase eingeführt
und die Auspuffgase abgeführt werden. v, N und w sind Druckbehälter für die Frischluft,
Brenngase und Auspuffgase. y, bis y¢ sind Steuerpuinpeil, die in die Leitungen 5,
5 zwischen die Hilfswärmespeicher r" r2 und die Druckbehälter v; z und w geschaltet
sind und deren Kolben durch die auf der Kurbelwelle 3 sitzenden Hubscheiben o2 bis
o4 mittels der Hebel s, bis s4 bewegt werden., 12 ist eine selbsttätige Entwässerungsvorrichtung,
um das niedergeschlagene Wasser auszuscheiden. Der Wärmespeicher R besitzt im Betriebszustande
an der kalten Seite die Temperatur T, und an der warmen Seite die .TemperaturT2.
Die gegen Wärmeverluste zu schützenden Teile der Anlage -sind mit einer nicht dargestellten
Wärmeisolation ausgerüstet.
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Gemäß der Erfindung ist nun zwischen der kalten Seite T, des Wärmespeichers
R und dem Druckgasmotor a., z. B. zwischen dem Wärmespeicher R und dem kalten, oberen
Ende des Druckgaserzeugerzylinders a" der Kühler e, eingeschaltet.
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Die Wirkungsweise der Anlage ist die folgende: Beien Niedergang des
Verdrängers ic werden die unter diesem befindlichen heißen Gase durch den WärmespeicherR
und die Leitung r sowie Kühler e, in den über den Kolben befindlichen kalten Raum
hinü bergetr leben ; sie
kühlen sich dabei ab, wodurch eine Druckverminderung
eintritt. Infolge dieser Druckverminderung werden durch die Ventile g aus dem Behälter
d,_ Gase vom Drucke P,, angesaugt. Steigt dann der Verdränger wieder, so drängt
er die über ihm befindlichen kalten Gase durch die Leitung i und den. Wärmespeicher
R wieder unter den Verdränger, wobei die Gase vorerst durch, den Wärmespeicher auf
dessen obere Temperaturgrenze T2 und sodann durch weitere Wärmezuführung durch Innenverbrennung
erhitzt werden, wodurch zunächst ihr Druck bis auf P2 gesteigert wird und während
des weiteren Steigens des Verdrängers u durch die Ventile h Druckgase mit
dem Drucke P2 in den Behälter d2 gedrückt werden. Die Drucksteigerung erfolgt bei
unverändertem Gasvolumen lediglich durch die Temperatursteigerung, und zwar im Verhältnis
der absoluten Temperaturen. Da die absolute Temperatur des kalten Arbeitsraumes
praktisch nicht unter 300° Abs. und diej enige des warmen Arbeitsraumes nicht über
150o° Abs. betragen kann, so wäre die obere Grenze der Verdichtung mit gegeben,
wenn das Gasvolumen keine
Schmälerung durch Abfluß in die Druckleitung erfahren würde. Soll jedoch Druckgas
in die Druckleitung abfließen, so muß die obere Druckgrenze eine entsprechend geringere
sein. Die Druckgase gelangen aus dem Behälter d2 in die Turbine a2, in der sie sich
arbeitsleistend auf den Druck P, entspannen und sodann in den Behälter d, abfließen.
Die Druckgase verlassen den Erzeuger a, mit - der der adiabatischen Druckerhöhung
von P, auf P2 entsprechenden Temperatur, die durch Wärmeisolation des Behälters
d2 erhalten werden soll. Bei der Entspannung in dem Druckluftmotor a2 wird die Verdichtungswärme
wieder in Arbeit verwandelt. Die Arbeitsgase führen demnach einerseits durch den
Wärmespeicher R und die Leitung i und andererseits vom Behälter
d,
ausgehend durch den Verdichter a" den Behälter d2 und den Druckluftmotor
a2 zurück zu dem Behälter d, einen Kreislauf aus, der von der Atmosphäre vollkommen
abgeschlossen ist und dessen untere Druckgrenze P, ein Mehrfaches des atmosphärischen
Druckes beträgt.
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In jedem Arbeitshube des Verdrängers u fördert die Frischluftpumpe
q Frischluft und die Brennstoffpumpe b brennbares Gas auf den Druck P, verdichtet
in die Zwischenbehälter v und z, aus denen die Steuerpumpeny2 und
y, im geeigneten Zeitpunkt die Frischgase durch die Hilf swärmespeicher r, und r2
in den KreisJauf speisen, während in einer anderen Periode eines jeden Hubes des
Verdrängers u eine der in den Kreislauf gespeisten Gasmenge gleiche Gewichtsmenge
Verbrennungsgase mittels der Steuerpumpen y3 und y4 durch die Hilfswä.rmespeicher
r, und r2 hindurch in den Zwischenbehälter w geschoben werden, aus dem sie mit derjenigen
Temperatur in den Niederdruckmotor h strömen, die der adiabatischen Verdichtung
der Frischgase von dem atmosphärischen Druck-und Temperaturzustande auf den Druck
P, entspricht; sie werden im Motor k arbeitsleistend entspannt, worauf sie auspuffen.
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Der Kühler kann statt bei e, auch zwischen den gegen die kalte Seite
des Wärmespeichers mündenden Saugventileng und dem Druckgasmotor a2 bei b2 eingeschaltet
sein, in welchem Falle die Wärmeentziehung vor Ansaugen der Gase durch den Druckerzeuger
a,, erfolgt.