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lehrstufige offene Heißluftdrehkolbenmaschine Die bisher bekannten
offenen und geschlossenen Heißluftmaschinen besitzen gegenüber anderen Wärmekraftmaschinen
eine geringe Brennstoffausnutzung, und schon bei kleineren Kraftleistungen wird
ihre Baugröße bedeutend. Bei den offenen Heißluftmaschinen tritt die den Arbeitszvlinder
verlassende noch heiße Luft entweder direkt ins Freie ohne Wärmerückgewinnung, oder
dort, wo man eine Wärmerückgewinnung versuchte, ist das dafür allein brauchbare
reine Gegenstromverfahren nicht angewandt worden. Man hat auch versucht, die den
Arbeitszylinder verlassende heiße Luft als Verbrennungsluft zu verwenden, Nvobei
jedoch nur ein Teil dieser Luft dazu verwendet werden konnte, weil die Luftmenge
im Verhältnis zum Wärmeaufwand zu groß war. Dies wiederum gab Veranlassung, die
Verbrennungstemperatur mittels der Luftmenge statt der Brennstoffmenge zu regeln,
was bekanntlich unwirtschaftlich ist. Ferner wurde versucht (vgl. Patent q.2 39o),
die Verdichtungswärme zur Beheizung des Treibmittels zu verwenden, und zwar derart,
daß bei einer Maschine mit zweistufiger Dehnung die Zwischenerhitzung der vom Hochdruckzylinder
zum Niederdruckzylinder strömenden Luft durch die Verdichtungswärme zu erfolgen
hat. Dieser Weg führt jedoch nicht zum Ziel; denn entweder vermag das Treibmittel
bei Aufrechterhaltung der entsprechenden Temperatur für den Wärmetausch keine Arbeit
mehr in der zweiten Dehnungsstufe zu leisten, oder sollte es dies doch tun, dann
kann keine Wärmeabgabe seitens des vom Verdichter kommenden Treibmittels erfolgen,
weil kein Temperaturgefälle in der Richtung des erforderlichen Wärmefiberganges,
sondern eher entgegengesetzt dieser Richtung vorhanden ist.
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Die wärmewirtschaftlichen Nachteile und unbequemen und teuren Baugrößen
bzw. kleinen Leistungen .der bisher bekannten offenen Heißluftmaschinen sind bei
der der Erfindung zugrunde gelegten offenen Heißluftmaschine ausgeschaltet. Diese
erzielt durch ihre mehrstufige Anordnung und Anwendung einer von der Wärmeverteilung
abhängigen Druckverteilung in Verbindung mit mehrstufiger Gegenstromerhitzung und
Verwertung der Auspuffwärme die überhaupt erreichbare günstigste Brennstoffausnutzung,
Die Druck- und Wärmeverteilung ermöglicht es, mit verhältnismäßig geringer, der
Verbrennungsluftmenge entsprechenden Luftmenge zu arbeiten, so daß die baulichen
Abmessungen gering werden und die Auspufftemperatur im Bereich der Verdichtungsendtemperatur
liegt. Eine solche Maschine arbeitet folgendermaßen.
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Es wird Luft der Umgebung in mehreren Stufen mit Zwischenkühlung verdichtet,
sodann im Gegenstrom von der Verdichtungstemperatur
auf die gewünschte
Arbeitstemperatur erhitzt, und man läßt sie dann arbeitverrichtend um einen gewissen
Betrag sich ausdehnen, wobei ihre Temperatur sinkt, erhitzt sie abermals im Gegenstrom
auf die gewünschte Arbeitstemperatur, wonach sie sich wieder arbeitverrichtend ausdehnt
und so fort, bis sie, vollständig entspannt, in bekannter Weise als Verbrennungsluft
dient, um nun wieder im Gegenstrom obige Erhitzungen vorzunehmen. Demnach sind die
Erhitzungen in einem mehrstufigen Gegenstromerhitzer zu vollziehen, wobei eine Stufe
desselben zwischen Verdichter und Arbeitsmaschine und je eine Stufe zwischen den
einzelnen Dehnungsstufen der Arbeitsmaschine geschaltet ist. Nun ist aber der Temperaturbereich
zwischen Verdichter und Arbeitsmaschine ein anderer als der Temperaturbereich zwischen
zwei Dehnungsstufen, und dies erfordert, daß sich die einzelnen Stufen des mehrstufigen
Gegenstromerhitzers durch verschiedene Temperaturzonen erstrecken müssen, weil die
Verbrennung an einer Stelle erfolgen soll und im Gegenstrom gearbeitet wird. Um
eine gute Erhitzung zu erzielen, werden die Leitungsrohre des Gegenstromerhitzers
als hohlwandige Zylinder ausgebildet und derart ineinandergeschoben, daß die Treibluft
am Austritt aus dem Wärmetauscher zur darauffolgenden Arbeitsstufe jeweils nahezu
gleiche Temperatur besitzt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Leitungsrohre sämtlicher
Stufen in der Nähe der Heizquelle enden, ganz gleich, in welcher Temperaturzone
sie im einzelnen anfangen.
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Obgleich die Verdichtung und Dehnung der Luft in Kolbenmaschinen oder
Turbinen erfolgen kann, bevorzugt die Erfindung Drehkolbenmaschinen mit gleichmäßigem
Luftstrom, weil Maschinen mit hin und her gehendem Kolben zwischen den einzelnen
Stufen Speichergefäße benötigen und bei kleineren Turbokompressoren verhältnismäßig
mehr Kraft zur Verdichtung gebraucht wird als bei Drehkolbenmaschinen, Im folgenden
wird die der Erfindung zugrunde liegende Maschine an Hand der Zeichnungen beschrieben.
Der Kürze wegen ist eine Maschine mit je zwei Stufen gewählt. Das Druckvolumendiagramm
Abb. i zeigt die verschiedenen Zustände des Kreisprozesses. Die angesaugte Luft
wird verdichtet und dann in einem Gegenstromkühler bei konstantem Druck entweder
mittels Luft oder Wasser auf Anfangstemperatur herabgekühlt, wobei die Wärmemenge
Q" abgeführt wird. Dann wird die Luft abermals verdichtet, in die Hochdruckstufe
des Gegenstromerhitzers geführt und dort die Wärmemenge 0'i zugeführt. Alsdann dehnt
sich die Luft weiter arbeitverrichtend aus, kühlt sich dabei ab und wird der Niederdruckstufe
des Gegenstromerhitzers zugeführt. Dort wird die Luft durch Zuführen der Wärmemenge
0", bei gleichbleibendem Druck erwärmt. Den Gegenstromerhitzer verlassend, dehnt
sich die Luft abermals arbeitverrichtend aus. Die die Dehnungsmaschine verlassende,
fast vollständig entspannte, warme Luft dient in bekannter Weise als Verbrennungsluft
und enthält die Wärmemenge Ihr wird die erforderliche Brennstoffmenge 0, zugeteilt,
Abb. 9-, und die Verbrennung vollzogen, womit der zweistufige Gegenstromerhitzer
beheizt wird. Nachdem die Verbrennungsgase ihre Wärme bis zur Verdichtungsendtemperatur
herab an die beiden Stufen abgegeben haben, verlassen sie die Maschine, die Wärmemenge
0: enthaltend, um ins Freie zu treten. Die Wärmemenge O'.., O. wird also zurückgewonnen
und ist durch die Heizwände des Gegenstromerhitzers im Umlauf, beim Ingangsetzen
der Maschine muß diese Wärmemenge aber erstmalig eingebracht werden, so daß O, im
ersten Moment größer ist als während des Betriebes. Man sieht also, daß die durch
den Gegenstromerhitzer wiedergewonnene Wärmemenge den gesamten Wärmeaufwand entsprechend
verkleinert.
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Eine Maschine gemäß dem soeben beschriebenen Diagramm ist in Abb.
:2 schematisch dargestellt. Um den Wärmefluß besser zeigen zu können, sind die wärmeabgebenden
Wände d und f hintereinandergelegt, liegen aber sonst im Gegenstromerhitzer parallel.
Von der ersten Verdichterstufe a kommend, wird die Luft an einer wärmeaufnehmenden
Wand b eines Gegenstromkühlers entlang geführt, und es wird ihr die Wärmemenge Q,
entzogen, worauf sie in der zweiten Verdichterstufe c weiter verdichtet wird. Danach
wird die zusammengepreßte Luft an der wärmeabgebenden Wand d der Hochdruckstufe
des Gegenstromerhitzers entlang geführt und ihr die Wärmemenge 0',. zugeführt, `vorauf
sie in der ersten .Dehnungsstufe e der Arbeitsmaschine Arbeit abgibt. Von dort strömt
die Luft an der wärmeabgebenden Wand f der Niederdruckstufe des Gegenstromerhitzers
entlang, und es wird ihr die Wärmemenge 0", zugeführt. Die Luft strömt in die zweite
Dehnungsstufe g und wird abermals, Arbeit leistend, vollständig entspannt; die Wärmemenge
O'= enthaltend, tritt sie als Verbrennungsluft in den Gegenstromerhitzer, wobei
ihr die Wärmemenge Q1 als Brennstoff zugegeben wird. Die Verbrennungsgase ziehen
dann, ihre Wärme gleichzeitig an die längere Wand d und die kürzere Wand
f abgebend, durch den Gegenstromerhitzer. Die Wände d und fliegen parallel
und sind entsprechend den Temperaturzonen verschieden lang, Die
Rauchgase
geben ihreWärine bis zur Verdichtungsendternperatur herunter ab und strömen, noch
die geringe Wärmemenge O2 enthaltend, ins Freie.
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Dem Gegenstromerhitzer können verschiedene Formen gegeben werden,
man kann ihm auch einen Prallstromerhitzer vorschalten. Ein einfacher Gegenstromerhitzer
mit zwei Stufen ist in Abb. 3 und 4 schematisch dargestellt. Abb. 3 ist ein Längsschnitt,
Abb. 4. der Schnitt A-B von Abb. 3. Die verdichtete Luft tritt durch ein Rohr
lt in die hohle Wand des Erhitzerrohres i ein, durchströmt die erste Temperaturzone,
gelangt durch Verbindungsstück k in die hohle Wand des Erhitzerrohres L in der zweiten
Temperaturzone und verläßt durch Rohr m den Gegenstromerhitzer, um in die Hochdruckstufe
der Arbeitsmaschine zu gelangen. Von dort tritt die Luft durch Rohr 7a wieder in
den Gegenstromerhitzer, durchströmt die hohle Wand des Erhitzerrohres o, um durch
Rohr p in die :\'iederdruckstufe der Arbeitsmaschine zii gelangen. Die von der Arbeitsmaschine
zurückkehrende Luft tritt durch Rohr q in die Verbrennungskammer r ein und mischt
sich dort mit dem Brennstoff aus der Düse s im Kegelt. Die Verbrennungsgase ziehen
in der Pfeilrichtung an den Rohren l und o innerhalb der wärmedichten Isolierrohrwand
zc entlang. Das wärmedichte Isolierrohr trennt die beiden Temperaturzonen. Danach
ziehen die Verbrennungsgase auf beiden Seiten des hohlen Erhitzerrohres i entlang.
Die Verbrennungsgase werden dann ein oder mehrere Male an den wärmedichten Umkleidungswänden
v des Gegenstromerhitzers entlang geführt und treten durch Rohr w ins Freie. Die
Schicht x stellt den Wärmeschutz dar. Der Vorgang, die Verbrennungsgase an den Umkleidungswänden
v scheinbar nutzlos entlangzuführen, hat den Zweck, die Wärmeverluste durch den
Wärmeschutz x hindurch zu vermindern. Denn die Wärmeverluste sind abhängig von der
Temperaturdifferenz des nach außen liegenden Erhitzerteils zur kalten Außenluft.
Durch mehrere Umkleidungswände wird die Temperaturdifferenz in mehrere Stufen zerlegt
und kann daher zwischen der Innenseite des Wärmeschutzes- x und der Außenluft klein
gemacht werden. Eine vollständige Darstellung einer mehrstufigen Heißluftdrehkolbenmaschine
gemäß der Erfindung zeigt Abb. 5. Die Niederdruckstufe a des Verdichters saugt Luft
der Umgebung an und treibt die verdichtete Luft in der Pfeilrichtung durch einen
Gegenstromluftkühler, wo sie sich an dessen Wänden b auf Anfangstemperatur abkühlt,
dann wird die Luft in der Hochdruckstufe c des Verdichters auf den Arbeitsdruck
gebracht und durch Rohr lc der Hochdruckstufe des Gegenstromerhitzers zugeführt.
Sie strömt durch das Erhitzerrohr i in der ersten Temperaturzone und über k durch
das Erhitzerrohr l der zweiten Temperaturzone und gelangt durch Rohr m in die Hochdruckstufe
e der Arbeitsmaschine. Dort dehnt sie sich, Arbeit verrichtend, aus und verläßt
die Hochdruckstufe, um durch Rohr ja in die Niederdruckstufe des Gegenstromerhitzers
zu treten. Die warme Treibluft wird in der hohlen Wand des Rohres o, also nur in
der zweiten Temperaturzone, wieder auf Anfangstemperatur erhitzt und durch Rohr
p der Niederdruckstufe g der Arbeitsmaschine zugeführt. Dort dehnt sie sich, wieder
Arbeit verrichtend, aus und, fast vollständig entspannt, wird sie durch Rohr q als
Verbrennungsluft der Verbrennungskammer r zugeleitet und mit Brennstoff aus der
Düse s im Kegel t gemischt. Die Verbrennungsgase geben einen entsprechenden Teil
ihrer Wärme in der Temperaturzone innerhalb des wärmedichten Mantels zc an die Rohre
o und l ab. Die Restwärme der Verbrennungsgase wird in der nächsten Temperaturzone
zwischen dem Mantel u und v an das Rohr i abgegeben. Sie treten, durch
Rohr zu bis zur Verdichtungstemperatur herab ausgenutzt, ins Freie. x ist die Isolierschicht
des Gegenstromerhitzers. Bei den beiden Stufen e und ; der Arbeitsmaschine ist die
Isolierschicht der Deutlichkeit wegen nicht dargestellt,