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Verfahren und Einrichtung zur Verwendung von Kohlensäuredampf als
Kraftmittel Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verwendung
von Kohlensäuredampf als Kraftmittel.
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In geschlossenem Kreislauf arbeitende Kaltdampfmaschinen zur Ausnutzung
des in Kaltdämpfen enthaltenden Spannungsgefälles unter Einschaltung umlaufender
Kraftmaschinen sind bekannt. Neu ist aber, den Kaltdampf, beispielsweise Kohlensäure,
mit dem Kohlen.säureahdampf der letzten Stufe der umlaufenden Kraftmaschine, beispielsweise
einer Turbine, vorzuwärmen und die erwärmte Kohlensäure darauf durch in der Turbine
umlaufendes Heizwasser zu verdampfen. Hierdurch werden die Wärmemengen, die der
Abdampf der letzten Turbinenstufe mitführt, zur Erwärmung .der frischen flüssigen
Kohlensäure, die später als Treibmittel dienen soll, nutzbar gemacht und der Betrieb
wirtschaftlich gestaltet.
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Gemäß der Erfindung wird. flüssige Kohlensäure im, Kreislauf vermittels
des Kohlensäureabdampfes aus der anzutreibenden Kraftmaschine vorgewärmt, worauf
die vorgewärmte flüssige Kohlensäure vermittels umlaufenden Heißwassers verdampft
wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispieldargestellt, und zwar
zeigt Abb. i eine schematische Gesamtanordnung der zur Durchführung des den Gegenstand
der Erfindung bildenden Verfahrens, Abb. a eine Draufsicht auf ,den Erhitzer, Abb.
3 einen Längsschnitt durch den Erhitzer nach der Linie 5-5 der Abb. 2, Abb.4 einen
Querschnitt durch den Erhitzer nach der Linie 6-6 der Abb. 3, Abb. 5 einen Grundriß
einer mehrstufigen Turbine, Abb. 6 einen Längsschnitt durch die mehrstufige Turbine
nach der Linie 8-8 der Abb. 5, Abb. 7 einen Querschnitt durch die mehrstufige Turbine
nach.der Linie 9-9 der Abb. 5, Abb. 8 eine Drraufsicht auf den Kondensator, Abb.9
einen Längsschnitt nach der Linie i 9-i 9 der Abb. B.
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Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren besteht in der
Verdampfung .der flüssigen Kohlensäure bei einer Temperatur von ungefähr 5o° C,
wodurch sie in einen Dampf mit hohem Druck verwandelt.wird. Die dampfförmige Kohlensäure
wird dann der ersten Turbinenstufe zugeführt, wo ihre Entspannungskraft zur Auswirkung
kommt. Der Kohlensäuredampf wird dann, nachdem er auf die erste Turbinenstufe gewirkt
hat, in eine weitere Reihe von Turbinenstufen geleitet, derart, daß der Ausströmdampf
einer jeden von ihnen auf die Schaufeln der nächstfolgenden Stufe einwirkt. Der
Abdampf der letzten Turbinenstufe wird zu seiner Wiederverwendung kondensiert. Ein
besonderes Merkmal des Verfahrens ist, daß .das Heizwasser .der Turbine auch zur
Verdampfung der flüssigen Kohlensäure vor dem Eintritt in die Turbine dient, und.
daß der Abdampf ,der letzten Turbinenstufe für die Vorwärmung der flüssigen Kohlensäure
nach dem
Verlassen ihres Vorratsbehälters benützt wird. Auf diese
Weise werden die Wärmemengen, die der Abdampf der letzten Turbinenstufe mitführt,
zur .- Erwärmung der frischen flüssigen Kohlensäure, die als Treibmittel ,dienen
soll, nutzbar gemacht. Da auch durch Verwendung von Mantelisolierungen bei den verschiedenen
Vorrichtungen die Wärmeverluste durch Strahlung auf das geringste Maß herabgesetzt
werden, isst .dieses Verfahren der Verwendung flüssiger Kohlensäure sparsam und
gestattet, ihre dynamische Kraft allgemein bei ortsfesten und -beweglichen Anlagen
auszunutzen.
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Das Verfahren wird mittels einer Anzahl zusammenarbeitender Vorrichtungen
ausgeführt. In Abb. i sind schematisch die zur Durchführung des Verfahrens verwendeten
Vorrichtungen dargestellt: . Diese bestehen aus einem geschlossenen Behälter i für
die flüssige Kohlensäure, der einen äußeren Kühlmantel, in dem Wasser von gewöhnlicher
Temperatur umläuft, beisitzt. Das Wasser tritt hierbei durch das Rohr 2 ein und
durch das Rohr 3 wieder aus. Aus dem Behälter i wird die flüssige Kohlensäure mittels
eines Rohres 4, einer durch Elektromotor 6 .angetriebenen Pumpe 5 und eines Rohres
5' in einen Vorwärmer 7 gedrückt, in welchem die Wärme des aus der letzten Turbinenstufe
ausströmenden Kohlensäuredampfes zur Vorwärmung der Kohlensäure ausgenutzt wird.
Die flüssige Kohlensäure, .die in :dem Vorwärmer 7 vorgewärmt wird, gelangt dann
durch ein Rohr 8 in einen Verdampfer 9, in dem die flüssige Kohlensäure auf eine
Temperatur von etwa 5o° G gebracht und in Dampf von hoher Spannung verwandelt wird.
Dieser Verdampfer 9 benützt die Wärme, die von dem in der Turbine verwendeten Heizwasser
mitgeführt wird; letzteres wird mittels einer durch Elektromotor i i getriebenen
Kreiselpumpe io, die in die nach .der Turbine führende Rohrleitung 12 eingeschaltet
" ist, in Umlauf versetzt, Es werden mehrere zu einer Einheit vereinigte Einzelturbinen
oder Turbinenstufen verwendet, und zwar in der Zeichnung drei Stufen 14, i6, i9
auf einer gemeinsamen durchgehenden Welle zu einer Turbineneinheit vereinigt.
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Der Kohlensäuredampf geht von dem Verdampfer 9 durch das Rohr 13 zu
der ersten Turbinenstufe 14, deren Einlaß durch ein Ventil 15 gesteuert wird. Der
die erste Stufe 14 verlassende Kohlensäuredampf gelangt dann durch ein Rohr 17
und Einlaßventil 18
in die zweite Stufe 16 und aus dieser nach Abgabe seiner
Energie durch ein Rohr 2o und Einlaßventil2i in die dritte Stufe i9. Das Heizwasser
der Turbine gelangt zu dieser durch ,das Rohr 12 und strömt dann aus dem Außenmantel
97 der Turbine durch .das Rohr 22 wieder unmittelbar nach dem Verdampfer 9 zurück.
Der Kohlensäuredampf, der die letzte Turbinenstufe i9 verläßt, nachdem er seine
Energie in dieser abgegeben hat, wird durch das Rohr 23 zu dem Vorwärmer 7 und aus
diesem durch ein Rohr 23' zu einem Kondensator 24 geleitet; in letzteren wird mittels
eines Rohres 25 Kaltwasser einsgeleitet, das dann durch ein Rohr 25' in eine Leitung
26 fließt. Die Leitung 26 schließt auch den Wasserumlauf durch den Doppelmantel
des Behälters i mit Hilfe des Rohres 3. Die .der Turbinenwelle 27 mitgeteilte Drehkraft
wird auf einen elektrischen Stromerzeuger übertragen. Die in dem Kondensator 24
wieder verflüssigte Kohlensäure gelangt durch ein Rohr 2q.' in den Vorratsbehälter
i zurück.
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Der Behälter i für die flüssige Kohlensäure kann senkrecht oder waagerecht
aufgestellt sein und besteht vorzugsweise aus Stahl, da er einen Druck von etwa
8o Atm. aushalten muß. Er ist mit einem Manometer, Thermometer und Sicherheitsventil
ausgestattet. Es können, mehrere Behälter verwendet werden, die :dann alle miteinander
durch eine Rohrleitung so verbunden sind, daß sie getrennt gefüllt und entleert
werden können. Die flüssige Kohlensäure des Behälters i muß eine niedrigere Temperatur
besitzen, als die von dem Kondensator 24 kommende flüssige Kohlensäure hat, um Druckunterschiede
zu erzielen. Der -Behälter ist deshalb mit einem Außenmantel versehen, durch den
kaltes Wasser fließt. Dieser Kühlmantel ist nicht nötig, wenn der Behälter i so
aufgestellt wird, .daß die .Temperatur an dieser Stelle niedriger ist als die des
Kühlwassers.
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Die Pumpe 5 ist eine Hochdruckpumpe und kann, je nachdem es die zu
fördernden Mengen flüssiger Kohlensäure erfordern, als eine doppelte, drei- oder
vierfache Pumpe ausgeführt sein. Dde flüssige Kohlensäure -tritt in die Pumpe mit
dem Druck ein, den sie in dem Behälter i hatte. Die Pumpe kann, wie in der Zeichnung
dargestellt, durch Riemenübertragung von dem Elektromotor 6 angetrieben werden oder
unmittelbar mit der Motorwelle gekuppelt sein.
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Der Vorwärmer 7 ist ein Stahlzylinder, der einen Druck von annähernd
ioo Atm. aushalten kann. Durch eine Rohrschlange geht die flüssige Kohlensäure,
die von dem Behälter i kommt und durch die Pumpe 5 hereingefördert wind. Der Verdampfer
9 (Abt. 2 bis 4) besteht .aus einem zylindrischen, senkrecht oder aber auch waagerecht
angeordneten Kessel, der an den Enden außen Winkeleisenringe 61 und 62 aufweist.
An letzteren sind mittels Bolzen schwach gewölbte Deckel 63
und 64 befestigt.
Dieser Kessel 9 hat den
Zweck, eine genügend große Heizfläche zur
Erwärmung der flüssigen Kohlensäure auf eine Temperatur von etwa 5o° C zu bilden.
Unter dem Kessel 9 ist ein Heizbrenner 65 für Gasolin oder 01 angebracht;
es kann. aber auch hierzu jeder andere Brennstoff oder auch Elektrizität zum Heizen
verwendet werden. Zn dem Kessel 9 ist eine Anzahl senkrechter Zylinder 66 im Kreise
angeordnet, die vollständig geschlossen sind. Diese Zylinder 66 haben am oberen
und unteren Ende Stutzen 67 und 68, an die die Flanschen 69 und 7.o an den Enden
der strahlenförmig angeordneten Knierohre 71 und 72 mittels Schrauben angeschlossen
sind. Die Knierohre 71 und 72 gehen von den beiden Ober- und unterhalb sitzenden
Verteilungskästen 74 und 73 ab, an welch letzteren das Einlaßrohr 75 für die flüssige
Kohlensäure angeschlossen `ist, das mit einem kombinierten Absperr- und Ablaßventil
77 versehen ist. An den oberen Verteilungskasten 74 schließt sich ein mit Ventil
78'
versehenes Auslaßrohr 78 an, das die in der Vorrichtung gebildete dampfförmige
Kohlensäure abführt. Der Kessel 9 ist mit Wasser 79 gefüllt, dessen Höhe durch ein
Überlaufrohr 8o bestimmt wird. Das Wasser tritt durch ein unteres, mit Ventil bi
versehenes Rohr in den Kessel ein und verläßt ihn durch ein oberes, mit Ventil
82 versehenes Rohr. Außerdem sind an dem oberen Deckel 63 ein Manometer 83,
ein Thermometer 84, ein Sicherungsventil 85 und ein Anschlußrohr mit Ventil 86 angebracht.
Wenn die Turbine zur Erzeugung elektrischer Energie dienen soll, dann kann der Brenner
65 durch eine elektrische Heizvorrichtung ersetzt werden. Das in dem Kessel befindliche
Wasser wird annähernd auf eine Temperatur von 6o° C erwärmt, damit :die flüssige
Kohlensäure in den Zylindern 66 eine Temperatur von annähernd 50° C annimmt. Bei
dieser Temperatur verdampft die flüssige Kohlensäure und verwandelt sich in Kohlensäuredampf
mit hohem Druck. Am Boden des Kessels 9 sitzt ein mit Ventil ausgestattetes Ablaßrohr
68. .
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Wie in den Abb. 5 bis 7 gezeigt ist, hat die mehrstufige Turbine ein
gemeinsames zweiteiliges Gehäuse 87, 88. Die untere Gehäusehälfte 88 ist mit der
Grundplatte 96 aus. einem Stück hergestellt und hat seitlich Flanschen 9i und 92,
auf denen entsprechende seitliche Flanschen 89 und 9o der oberen Gehäusehälfte 87
mittels einer Reihe von Schraubenbolzen 95, Muttern 94 und Unterlegscheiben 93 befestigt
sind. Das Turbinengehäuse 87, 88 ist seiner Länge nach mit einem äußeren Heizmantel
97 versehen, durch den das von dem Verdampfer 9 kommendeHeißwasser umläuft, um den
in der Turbine stufenweise arbeitenden Kohlensäuredampf auf gleichmäßiger Temperatur
zu halten. - Das Gehäuse 87, 88 enthält eine Reihe von kreisförmigen senkrechten
Kammern 98, in denen die auf der gemeinsamen Welle 27 befestigten Schaufelräder
14, 16> i 9 umlaufen. In der Zeichnung sind drei Turbinenstufen dargestellt, von
denen jede aus einem Doppellaufrad mit zwei nebeneinanderliegenden Laufschaufelreihen
besteht. Jede Schaufel ist von den anderen derart getrennt, daß das Entweichen des
Dampfes durch die Seitenwandung der Kammer 98 ermöglicht wird. Die Zahl der Schaufeln
in jedem Laufradkörper ist nach seinem Durchmesser bemessen, so daß der Dampfstrahl,
wenn er von. einer Schaufel kommt, unmittelbar die andere Schaufel berührt. Die
Form, Tiefe und anderen Einzelheiten der Schaufeln sind durch Versuche zu bestimmen.
In dem unteren Teil jeder Kammer 98 ist eine Vertiefung 99, .die den Dampf, wenn
er auf die Schaufeln gewirkt hat, wieder aufnehmen soll. Der aus der ersten Turbinenstufe
kommende Dampf beaufschlagt nacheinander die folgenden Laufräder und geht dann durch
das Ableitungsrohr 23 zu dem Vorwärmer 7 und aus diesem in den Kondensator 24. In
den festen Gehäusezwischenwänden zwischen den Turbinenkammern 98 sind Buchsen iio
eingesetzt, die als Lager für die Turbinenwelle 27 dienen. Das vorstehende Ende
der Turbinenwelle 27 ist in einem Lager i i i, das von einem Bock 112 getragen wird,
drehbar gelagert; das andere Ende der Welle 27 ist durch einen Deckel i 13
verschlossen, der mittels Schrauben an der oberen und unteren Gehäusehälfte 87 und
88 befestigt ist. An der anderen Stirnseite des Turbinengehäuses befindet sich ein
anderer Deckel 113'. Das Antriebsrad 30 ist auf der Welle 27 befestigt.
Um den Dampf, der gegebenenfalls aus den Kammern 98 entweichen könnte, abzudrosseln,
sind ,die Büchsen i i o mit drei oder mehr senkrechten Ringnuten 114 versehen, in
denen an der Welle sitzende Kammzapfenringe i 15
von verschiedenem Durchmesser
laufen. Der Durchmesser der Ringe i 15 nimmt in Richtung der Turbinenkammer
mit niedrigerer Spannung zu. Die Lagerbüchsen iio werden gut geölt. Jede Kammer
98 ist mit einem Druckmesser i 16 .und einem Thermometer 117
ausgerüstet.
Diese mehrteilige Turbine dient zum Antrieb irgendwelcher Maschinen und kann in
ortsfesten Betrieben oder auf Lokomotiven, Schiffen, Flugzeugen usw. verwendet werden.
Dieselbe kann auch für Vor- und Rückwärtsbewegungen dienen. Zu diesem Zweck wird
jede Turbine mit einer doppelten Kammer ausgestattet; jede Kammer enthält ihr Laufrad,
dessen Schaufeln zu denen des zugehörigen Laufrades entgegengesetzt gerichtet sind.
Es kann aber auch eine einzige
Kammer mit einem einzigen Läufer;
der aus zwei in entgegengesetzter Richtung drehbaren Schaufelrädern besteht, verwendet
werden.
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Wie Abb. 8 und 9 zeigen, besteht .der Kondensator 24 aus einem zylindrischen
Gefäß, das unten geschlossen ist, oben aber offen oder geschlossen sein kann. In
dieses Gefäß tritt unten durch ein mit Ventil versehenes Rohr 25 Wasser ein; sein
Austritt erfolgt ,durch ein am oberen Ende befindliches Abflüßrohr 25'. Der Wasserzufluß
bezweckt, die Temperatur der flüssigen Kohlensäure niedriger als ihren kritischen
Punkt ('30, 95° C) zu halten. In dem rohrförmigen Ansatz 1T8 .des Gefäßbodens ist
ein schmales senkrechtes Zylindergefäß 119 befestigt, auf dessen oberes Ende ein
Flanschdeckel 12o aufgeschraubt ist. In letzterem sitzen, anschließend an zwei Außenventile
123 und 12q., zwei Rohre 121 und 122, die bis zum Boden des Gefäßes 119 reichen.
In den Ringraum zwischen dem geschlossenen Zylinder 119 und der Gefäßwandung 24
ist eine Rohrschlange 125 eingesetzt, die unten aus .dem Gefäß 24 austritt und ein
Auslaßventil 126 trägt, während sie oben an das Zylindergefäß 1i9 angeschlossen
ist. Außerdem sitzt an dem Boden des Gefäßes 2q. zum Entleeren desselben ein Auslaß
mit einem Ventil 127. Der Kohlensäuredampf tritt durch das Rohr 121 in den Bodenraum
des Zylinders i 19 ein, wo er von dem gegebenenfalls aus .den Turbinenlagern stammenden
Schmieröl befreit wird. Dieses Schmieröl wird durch das Rohr 122 infolge des Innendrucken
des Zylinders i i9 nach außen gedrückt. Der in dem Zylinder i 19 nach oben steigende
Dampf tritt durch die seitliche Öffnung in die Rohrschlange 125 und strömt von oben
nach unten dem Auslaß r26 zu, wobei er durch das umgebende Kühlwasser, das von unten
nach oben steigt und so dem Kohlensäurestrom -in der Rohrschlange entgegenströmt,
abgekühlt wird. Dadurch wird die Kondensation des Dampfes in flüssige Kohlensäure
erzielt, die dann durch das Rohr 2q.' in den Behälter i gelangt. Der Zylinder i19
muß mit einem Manometer und Thermometer, das Gefäß 2q. aber mit einem Thermometer
für das Kühlwasser versehen sein.