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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine thermische Dampfmaschine mit
externer Verbrennung und ein Verfahren zu deren Betrieb in atmosphärischer Luft
oder in einem geschlossenen Raum.
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Das technische Gebiet der Erfindung ist das der thermischen Maschinen,
insbesondere derer mit externer Verbrennung, geschlossenem Dampfkreislauf bei hohem
Druck, Überhitzung und Füllung.
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Die Verwendung des Auslaßdampfes ist aus dem Patent US-A-2 132 212 bekannt,
welches Mittel zur Ausnutzung des Auslaßdampfes eines alternativen
dampfbetriebenen Motors betrifft und dessen Aufgabe darin besteht, die im Auslaßdampf
vorhandene Wärme während dessen Entspannung innerhalb eines alternativen
dampfgetriebenen Motors mit mehreren Zylindern verschiedener Querschnitte in
Nutzenergie umzuwandeln. In diesem Patent wird der Auslaßdampf in einer Dampfturbine
verwendet, welche einen oder mehrere Kompressoren antreibt, die den entspannten
Dampf innerhalb dieses Motors auf einen höheren Druck komprimieren und ihn dann
dem genannten alternativen Motor zuführen.
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In dem vorangemeldeten Patent FR 2 552 160 hat der Anmelder charakteristische
Eigenschaften einer Maschine zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme
offengelegt, welche für die Verwendung unter Wasser ausgelegt und so konzipiert ist,
daß sie ausschließlich innerhalb eines abgeschlossenen Raumes funktioniert, was auch
anaerobe Funktion genannt wird.
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Eine derartige Maschine, welche einen in einem Turbomotor integrierten
Turbogenerator umfaßt, ist in ihrer Anwendung bei Unterwasserfahrzeugen sehr leistungsfähig
und weist bestimmte Vorteile auf, verglichen mit elektrischen Motoren, welche von
Akkumulatoren versorgt werden, die durch einen von einem Dieselmotor
angetriebenen Generator in periodischen Abständen aufgeladen werden müssen.
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Bei ihrer Verwendung hat eine derartige Maschine jedoch den Nachteil, daß die
Drehzahl bzw. Geschwindigkeitsreduzierer, welche aufgrund der sehr hohen
Turbinendrehzahlen verwendet werden müssen, mechanischen Spannungen unterworfen
sind.
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Ein thermischer Motor, welcher in Gegenwart von Sauerstoff nur vollständige
Verbrennungsrückstände erzeugt, deren Zusammensetzung ihre Entsorgung erleichtert,
ist unter dem Namen seines Erfinders, des Pastor Robert STIRLING, bekannt
geworden. Dieser Motor wird gegenwärtig von der schwedischen Firma UNITED
STIRLING verwertet. Gattungsgemäß handelt es sich dabei um einen thermischen Motor
mit externer, alternativer Verbrennung, der als Flüssigkeit für den Wärmetransport
in einem geschlossenen Kreislauf Wasserstoff oder Helium verwendet und
insbesondere für den Einsatz in offener Atmosphäre konzipiert wurde.
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Der thermodynamische Zyklus dieses Motors ist sehr verwandt mit dem CARNOT-
Zyklus, welcher den maximal realisierbaren Wirkungsgrad für eine thermische
Maschine, welche ein gegebenes Wärmegefälle ausnutzt, aufweist. Dies ist von
grundlegender Bedeutung für diesen Motor, welcher auf perfekte Weise kontrollierbar ist, da
er mit äußerer Verbrennung arbeitet. Ein weiterer Vorteil dieses Motors besteht in
seinem geringen Schadstoffausstoß an die Atmosphäre. Darüberhinaus funktioniert
er mit jeder Art von Treibstoff und ist besonders leise.
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Die Konstruktion des STIRLING-Motors ist ersichtlich einfach und erfordert keine
Verteilervorrichtung. Dennoch sind die Einzelteile aufwendig und komplex
konstruiert und die gesamte Technologie ist sehr aufwendig und teuer, was auf den ersten
Blick nicht ersichtlich ist.
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Weil er nicht für den anaeroben Einsatz konstruiert wurde, erfordert seine
Anwendung in Unterwasserfahrzeugen eine spezielle Anpassung.
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Wie beim rückgeführten DIESEL-Motor ist eine
Sauerstoffinjektionsvorrichtung vorzusehen, welche die zurückgeführten Auslaßgase nach Extraktion des
Wassers und des CO&sub2; regeneriert;
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wenn eine Verbrennung unter reiner Sauerstoffumgebung durchzuführen ist,
erfordert dies, wie bei der vorgenannten Lösung, die Extraktion von durch die
Verbrennung erzeugten Wasser und CO&sub2;.
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Hierin besteht das Problem, welches sich den Anwendern des STIRLING-Motors
in dessen Unterwasseranwendung stellt und welches, wie aus den Fachzeitschriften
hervorgeht, noch nicht vollständig gelöst wurde.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer
thermischen Maschine mit externer Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs bei
geschlossenem Dampfkreislauf, Überhitzung und Füllung, welche sowohl in offener
atmosphärischer Umgebung als auch in einem abgeschlossenen Raum ohne Drehzahl- bzw.
Geschwindigkeitsreduktion funktioniert.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung
mechanischer Energie bei einer brauchbaren Ausgangsdrehzahl, welche unmittelbar
an einer Fluchtlinie aus Lagern oder an einer Empfängermaschine anliegt, und zwar
ohne Drehzahlreduktion und mit Hilfe einer thermischen Maschine mit externer
Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs, welche einen sich entspannenden Dampf in
einem geschlossenen Dampfkreislauf verwendet und welche bei hohem Druck,
Überhitzung und Füllung nach dem RANKINE-HIRN-Zyklus arbeitet und die umfaßt
einen Dampfgenerator, der an einen volumetrischen Expansionsmotor angeschlossen
ist und der aus diesem Motor austretende Dampf mittleren Drucks Mitteln zugeführt
wird, wo die letzte Expansion des Dampfs stattfindet, Mittel zum Kondensieren des
expandierten Dampfs, Mittel zum Abzug des Kondensats vom Kondensationsmittel,
ein Wasserreservoir, Mittel zum Zirkulieren dieses Wassers in diesem
Kondensationsmittel und in einem Dampfvorwärmer und zum Zurückführen in den Generator,
dadurch gekennzeichnet, daß der volumetrische Expansionsmotor, als Hauptmotor
bezeichnet, an mindestens einen, mindestens zwei Stufen aufweisenden
Turbokompressor
angeschlossen ist und ein Teil des expandierten Dampfs mittleren Drucks in
diesem Motor auf die Antriebsturbinen dieses Turbokompressors geleitet wird, um
die letzte Expansion des Dampfs zu erzeugen, und daß der andere Teil des
expandierten Dampfs mittleren Drucks in diesem Motor durch den Turbokompressor wieder
verdichtet wird, wobei letzterer an einen volumetrischen Zusatzmotor angeschlossen
ist, um dort den wieder verdichteten Dampf zuzuführen, und der Zusatzmotor die
Speisepumpe des Dampfgenerators und mindestens eine Absaugpumpe für das vom
Kondensationsmittel austretende Kondensat antreibt.
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Gemäß dieses Verfahrens wird die Antriebswelle des Zusatzmotors mit der
Antriebswelle des volumetrischen Hauptmotors verbunden, um dort überschüssige und von
dem Zusatzmotor nicht benötigte Energie einzuleiten, um den Gesamtwirkungsgrad
der Maschine zu verbessern.
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In einer erfindungsgemäßen Maschine bei anaerobem Betrieb, bei welcher der
Dampfgenerator einen Brenner umfaßt, welcher mit einer Mischung aus Kohlenwasserstoff
und Sauerstoff versorgt wird, wobei der Treibstoff aus einer
Druckflaschenbatterie und der Sauerstoffträger aus einer weiteren Druckflaschenbatterie stammt und
wobei das aus dem Dampfgenerator stammende CO&sub2; in einem Kühler abgekühlt
wird, welcher die Trennung des CO&sub2; und des Wassers durch Kondensation bewirkt,
ist dieser Kühler an die Verbrennungsabgasleitung dieses Generators angeschlossen,
welches anschließend komprimiert und verflüssigt wird, um in den genannten
Flaschen anstelle des Verbrennungssauerstoffs in dem Maße, in dem dieser verbraucht
wird, gelagert zu werden, wobei der volumetrische Hauptexpansionsmotor, der mit
dem vom Generator stammenden Dampf gespeist wird, in mindestens zwei Stufen an
zwei Turbokompressoren angeschlossen ist und ein Teil des expandierten Dampfes
mittleren Drucks in diesem Hauptmotor auf die Antriebsturbinen dieser
Turbokompressoren geleitet wird, wo die letzte Expansion des Dampfes stattfindet und einer
der Turbokompressoren mit dem Kühler verbunden ist, um den CO&sub2;- Ausstoß im
Hinblick auf seine Verflüssigung anzusaugen und zu komprimieren.
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Um die Endphase dieser Verflüssigung zu erreichen, leitet man das komprimierte
CO&sub2; in ein Kühlergefäß und leitet es sodann im flüssigen Zustand der genannten
Flaschenbatterie zu, wo es den Sauerstoffträger ersetzt.
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In der Anwendung der erfindungsgemäßen Maschine bei einem Unterwasserfahrzeug
und zur Erreichung der Verflüssigung des CO&sub2; zum Zwecke seiner Lagerung in der
genannten Flaschenbatterie ordnet man das Verflüssigungskühlergefäß außerhalb des
Bootskörpers dieses Fahrzeugs an, wo es sich in Kontakt mit dem umgebenden
Wasser befindet, um das CO&sub2; durch Wärmeleitung abzukühlen.
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Im Betrieb unter atmosphärischen Bedingungen stellt sich das Problem der
Verflüssigung des CO&sub2; nicht und die als Sauerstoffträger fungierende atmosphärische Luft
wird mit Hilfe eines Ventilators verteilt, wozu die Verdrängeröffnung über eine
Leitung mit dem Brenner des Dampfgenerators verbunden ist.
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Das erfindungsgemäße Ergebnis ist eine thermische Maschine mit externer
Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs bei geschlossenem Dampfkreislauf, welche bei hohem
Druck, überhitztem Dampf und Füllung nach dem RANKINE-HIRN-Zyklus
arbeitet und welche sowohl in atmosphärischer Umgebung als auch innerhalb eines
abgeschlossenen Raumes funktioniert, wobei sie insbesondere zum Betrieb in beiden
Betriebsarten ausgelegt ist, beispielsweise in der Anwendung bei einem
Unterseefahrzeug mit einem Motor; hierbei umfaßt sie keine Drehzahl- bzw.
Geschwindigkeitsreduktion.
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Obwohl die erfindungsgemäße Dampfmaschine auch in atmosphärischer Umgebung
funktioniert, ist sie insbesondere dahin ausgelegt, daß sie auch in anaerober
Umgebung funktioniert, wodurch sie sich zum Einsatz in einem Unterwasserfahrzeug
eignet.
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Durch die Wahl von Wasser als Arbeitsflüssigkeit erfolgt eine unmittelbare Kühlung.
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Die bei der letzten Expansion verfügbare Energie entspricht in etwa dem Bedarf der
gesamten Zusatzgeräte und besonderen Hilfseinrichtungen, welche der anaeroben
Funktion zugeordnet sind, in einer Weise, in der die Verflüssigung des CO&sub2; durch
Kompression und Wiederabkühlung unter vorteilhaften thermodynamischen
Bedingungen vorgenommen werden kann, welche sich mit dem STIRLING-Motor nicht
bieten, wobei diese Arbeiten nicht unmittelbar aus dem bei dieser Art von Motor
nicht verfügbaren Zyklus abgeleitet werden können.
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Hinsichtlich der vorbekannten Maschinen und insbesondere des STIRLING-Motors,
zusammen mit dessen Einrichtungen zur Wiederabkühlung des Gases und zur
Behandlung des CO&sub2;, also in einer Gesamtbetrachtung, ist die erfindungsgemäße
Maschine erheblich platzsparender aufgebaut, wodurch sie für Unterwasserfahrzeuge
und in allen anderen Fällen, in denen der vorhandene Platz beschränkt ist,
besonders geeignet ist.
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Weitere Vorteile und charakteristische Merkmale der Erfindung ergebenden sich aus
der folgenden Beschreibung einer derartigen Maschine in ihren beiden Bauarten
"atmosphärisch" und "anaerob" und unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen. Diese zeigen:
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Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen
thermischen Maschine;
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Fig. 2 eine teilweise schematische Darstellung der in Figur 1 gezeigten Maschine,
aus welcher die Apparaturen und Organe ersichtlich sind, welche zur
Erzeugung des überhitzten Hochdruckdampfes und zur Verwendung des erzeugten
Dampfes in einer ersten und einer zweiten Hochdruck- bzw.
Mitteldruckexpansion bei ihrem atmosphärischen Betrieb erforderlich sind;
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Fig. 3 eine teilweise schematische Darstellung der Maschine, welche die zweistufige
Turbokompressorgruppe zeigt, die bei der zweiten Expansion des Dampfes im
atmosphärischen Betrieb der Maschine verwendet wird;
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Fig. 4 eine teilweise schematische Darstellung der in Figur 1 dargestellten
Maschine, welche Apparaturen und Zusatzorgane zur Extraktion des Kondensats
und zur Versorgung des Dampfgenerators mit Wasser im atmosphärischen
Betrieb der Maschine zeigt;
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Fig. 5 eine teilweise schematische Darstellung der in Figur 1 gezeigten Maschine,
welche Apparaturen und Organe zeigt wie sie zur Herstellung des überhitzten
Hochdruckdampfes und zur Verwendung dieses Dampfes bei der ersten und
zweiten Hochdruck- bzw. Mitteldruckexpansion beim anaeroben Betrieb der
Maschine verwendet werden;
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Fig. 6 eine teilweise schematische Darstellung der in Figur 1 gezeigten Maschine,
welche die zweistufige Turbokompressorgruppe zeigt, wie sie bei der zweiten
Expansion des Dampfes geringen Drucks verwendet wird, insbesondere zur
Kompression des CO&sub2; zum Zwecke seiner Verflüssigung im anaeroben Betrieb
der Maschine;
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Fig. 7 eine teilweise schematische Darstellung der genannten Maschine, welche die
Apparaturen und Zusatzorgane zur Extraktion des Kondensats und zur
Versorgung des Dampfgenerators mit Wasser sowie zur Lagerung des CO&sub2; beim
anaeroben Betrieb der Maschine verdeutlicht.
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Es wird zunächst auf die Figuren 1 und 5 bis 7 Bezug genommen, welche die
erfindungsgemäße thermische Maschine für anaeroben Betrieb zeigen.
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Der überhitzte Dampf wird in einem Rotationsgenerator 1 (Figur 5) erzeugt, wie er
in der französischen Voranmeldung FR A 2 552 160 des selben Anmelders
beschrieben ist. Dieser besteht aus einer gekühlten und wärmeisolierten Hülle 1a mit einem
im wesentlichen zylindrischen Aufbau, in welcher auf seiner Drehachse ein Heizrad
1b drehbar montiert ist.
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Der Generator 1 ist horizontal angeordnet und weist an einem seiner Enden Brenner
1c auf, welche um die Achse 1b&sub1; des Rades 1b angeordnet sind und deren Köpfe sich
im Innenbereich einer Umhüllung 1a befinden.
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Die Brenner 1c werden mit einem Gemisch aus einem Treibstoff und einem
Sauerstoffträger versorgt, beispielsweise mit einer Mischung aus Propangas und Sauerstoff,
welches dem Brenner 1c über einen Rohrstutzen 2 zugeführt wird.
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Das Versorgungswasser wird innerhalb der Achse der Welle 1b&sub1; über eine Leitung 3
zugeführt. Der vom Generator 1 erzeugte überhitzte Hochdruckdampf wird in die
Achse der Welle 1b&sub1; ausgestoßen und in eine Rohrleitung 4 eingeleitet, welche den
Generator 1 mit einem alternativen, volumetrischen, beispielsweise zwei Zylinder
aufweisenden Kolbenmotor verbindet, welcher im Zweitaktverfahren arbeitet und
in der vorgenannten Patentschrift detailliert beschrieben ist. Dieser Motor wird
als "Hauptmotor" bezeichnet, im Gegensatz zu einem weiteren Motor, welcher als
"zusätzlicher Motor" oder "Zusatzmotor" bezeichnet wird und auf welchen bei der
späteren Beschreibung der Maschine Bezug genommen wird.
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Der verwendete thermodynamische Zyklus ist der RANKINE-Zyklus, wobei zur
Erreichung eines optimalen Wirkungsgrades der Dampf isobar überhitzt wird. Dieser
Prozeß ist auch unter dem Namen HIRN-Zyklus bekannt und wird durch Füllung des
Dampfes während dessen Entspannung verbessert. Der vom Generator kommende
Dampf wird mit Hilfe von hydraulisch betätigten Einlaßventilen in die Zylinder
des Motors 5 verteilt, und zwar unter der Wirkung einer Einspritzpumpe 6 mit
einer Drehzahlregulierung, wie sie üblicherweise für die Versorgung von DIESEL-
Motoren verwendet wird, in deren Zylindern die Hoch- und Mitteldruckexpansionen
stattfinden, welche auch als erste und zweite Expansion bezeichnet werden.
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Das durch die Verbrennung des Gemisches aus Propangas und Sauerstoff im
Generator erzeugte Gas aus CO&sub2; + H&sub2;O wird über eine Leitung 7 abgeleitet, welche den
Generator 1 mit einem Oberflächenkühler 8 verbindet, in dem das Verbrennungsgas
abgekühlt und der Dampf kondensiert wird.
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Um die Leitung 7 herum und an deren Außenseite ist koaxial eine weitere Leitung
9 angeordnet, wobei beide Leitungen 7 und 9 eine Doppelwandung 10 bilden, in
welcher das Wasser zur Kühlung der Umhüllung des Generators 1 zirkuliert. Diese
Umhüflung 1a umfaßt außerdem eine Doppelwandung 1a&sub1;, in welcher das
Kühlwasser zirkuliert. Der Kühlwasserkreislauf wird durch eine Pumpe 11 bewirkt, deren
Eingangsrohrstutzen 12 mit der durch die beiden Rohrleitungen 7 und 9
gebildeten Doppelwandung 10 verbunden ist. Am Einlaßstutzen der Pumpe 11 wird das
Wasser in einem Kühler 13 für das Schmieröl des volumetrischen Hauptmotors 5 in
Zirkulation versetzt.
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Das vom Boden 8a des Kühlers für das Auslaßgas 8 ablaufende Kühlwasser wird
einem Sammelbehälter 14 zugeführt, wo es nach Durchlauf durch einen Siphon 15
abgekühlt wird. In der "marinen" Anwendung ist diese Abkühlungsart unter dem
Namen "Schiffsrumpf-Wärmetauscher" bekannt.
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Das Kühlwasser des Generators 1, welches diesem über die Leitungen 10/12
zugeleitet wird, wird am Ausgang der doppelten Umhüllung 1a&sub1; von einem mit
einem Thermostaten 19 ausgerüsteten Rohrstutzen 18 aufgenommen, welcher an dem
Kühler 20 für das Wasser des Versorgungssammelbehälters 14 anliegt und wozu der
Wärmetauscher 21 an seinem Ausgang mit dem Rohrstutzen 17 verbunden ist.
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Die Zugangsöffnung für die Pumpe 11 steht über einen Rohrstutzen 22 in Verbindung
mit dem Wärmetauscher 21.
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Die Kurbelwelle 5a des volumetrischen Hauptmotors 5 trägt an einem ihrer Enden
5a&sub1; eine Scheibe 23 mit mehreren Rillen, welche den Antrieb für eine
Transmissionsriemenübertragung, beispielsweise über Trapezriemen 24, bildet, wobei eine weitere
Scheibe mit zwei Rillen 25 angetrieben wird, die auf der Welle 11a der
Zirkulationspumpe 11 für das Kühlwasser befestigt ist.
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An ihrem anderen Ende 5a&sub2; trägt die Kurbelwelle 5 ein durch geeignete Mittel
befestigtes Schwungrad 5b, an welchem eine elastische Kupplung 26 befestigt ist,
welche eine koaxial zur Kupplung 26 und zum Schwungrad 5b angeordnete Scheibe
mit zwei Rillen 27 trägt, wobei diese Scheibe 27 auf der Welle 28a eines elektrischen
Generators 28 fixiert ist. Die Kupplung 26 ermöglicht es, die Ausrichtungsfehler
zwischen Motor 5 und elektrischem Generator 28 in an sich bekannter Weise zu
beseitigen und sämtliche Vibrationen des Übertragungswegs auszufiltern.
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Die Scheibe 27 treibt über zwei, beispielsweise trapezförmige Riemen 29 eine weitere
Scheibe 30 an, welche an einem Ende 31a einer Zwischenwelle 31 befestigt ist, die an
ihrem anderen Ende 31b eine weitere Scheibe mit zwei Rillen 32 trägt. Diese treibt
über zwei weitere Riemen 33 eine weitere Scheibe 34 an, welche auf der
Eingangswelle 35a eines mechanischen Antriebskastens 35 befestigt ist, dessen Ausgangsritzel
derart mit einem Antriebskegelrad des Heizrades 1b zusammenwirkt, daß sich
letzteres mit einer geeigneten Drehzahl dreht, für die Funktion in dem Bereich der
Dampferzeugung und der erwünschten Zentrifugation der Gase.
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Der Dampfgenerator 1 führt zu einer sofortigen Verdampfung, sein Stempeldruck
liegt beispielsweise bei 100 bar, für eine begrenzte Überhitzung bei etwa 480ºC.
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Der aus der Rotation des Heizrades 1 entstehende Zentrifugeneffekt bewirkt eine
Schichtenbildung der Verbrennungsprodukte CO&sub2;, Wasserdampf und CO innerhalb
des Behältnisses, wodurch sich eine Schicht CO&sub2; an der Innenseite der Umhüllung
1a bildet, während das CO und der Wasserdampf eine Schicht im Bereich der Mitte
des Behältnisses bilden, wodurch ein Teil des produzierten Wasserdampfes an der
Reduktion des CO mitwirkt.
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Der vom volumetrischen Hauptmotor 5 erzeugte Dampf mittleren Drucks wird über
eine Leitung 36 (Figur 6) in zwei Kreise kanalisiert, von denen einer aus einem
Rohrstutzen 37 besteht, der an einem Kollektor 38 anliegt, der einen Teil des
Mitteldruckdampfes auf die Turbinen der beiden zweistufigen Turbokompressoren 39/40
gibt, wo die letzte Expansion des Dampfes stattfindet und von denen der andere 41
einen Teil des vom Hauptmotor 5 abgegebenen Mitteldruckdampfes in den
Turbokompressor 40 leitet, um ihn im Hinblick auf seine nachfolgende Verwendung zu
rekomprimieren, um den volumetrischen Hilfsmotor und die weiter unten
abgehandelten Ejektoren zu versorgen.
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Das von dem Oberflächenkühler 8 ausgegebene CO&sub2; wird über einen Rohrstutzen
42 einem Turbokompressor 39 zugeführt, um es im Hinblick auf seine Verflüssigung
zu komprimieren.
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Die letzte Niederdruckexpansion des Dampfes erfolgt in hintereinander geschalteten
Turbokompressoren. Aus Gründen des zu realisierenden Kompressionsverhältnisses,
wurde die zweistufige Lösung beibehalten. Auf diese Weise wird der von dem
Kollektor 38 gesammelte Mitteldruckdampf zunächst der Motorturbine 391a/401a der
ersten Stufe 39&sub1;/40&sub1; des Turbokompressors 39/40 zugeführt und sodann der Turbine
392a/402a der zweiten Stufe 39&sub2;/40&sub2; des genannten Turbokompressors.
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Am Auslaß 392b/402b der Turbokompressoren 39/40 wird der Dampf einem
Hauptkondensor 43 zugeführt.
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Gemäß einer bekannten Technik sind die Kreise für das CO&sub2; 42 und für den zu
rekomprimierenden Dampf 41 im Gegenstrom zu dem Niederdruckdampfkreislauf angelegt,
welcher an die zweistufigen Turbinen des Turbokompressors 39/40 im Hinblick auf
seine letzte Expansion angelegt ist.
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Die von dem Hauptkondensor 43 erzeugten Kondensate, werden in einem Schacht
43a, der an dem Kondensor angebracht ist, gesammelt und über einen Rohrstutzen
44 abgeleitet.
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Das Sammelbecken 14 ist mit der Ansaugseite 45a/46a zweier beispielsweise
elektrisch arbeitender Zentrifugenpumpen 45/46 über eine Leitung 47 verbunden.
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Die Pumpe 45 pumpt aus dem Sammelbecken 14 angesaugtes Wasser über eine
Rohrleitung 48 in das Röhrenbündel 43b des Kondensors 43. Das Wasser wird
diesem Bündel bei 43c zugeführt, durchläuft die Röhren dieses Bündels und die
Kammer 43d und verläßt bei 43e den Kondensor 43.
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Es läuft dann in eine Rohrleitung 49, welche den Kondensor 43 mit dem
Wärmetauscher 21 verbindet, um über die Leitung 17 dem Oberflächenkühler 8 des vom
Generator 1 ausgestoßenen Verbrennungsgases zugeführt zu werden.
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Das von dem Kühler 8 ausgestoßene CO&sub2; wird über die Leitung 42 der
Kompressionskammer 392c der zweiten Stufe 39&sub2; des Turbokompressors 39 zugeführt.
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Das Gas aus dieser Kammer 392c wird über eine Leitung 50 einem ersten Kühler 51
zugeführt, dessen Ausgang über eine Leitung 52 mit der Kompressionskammer 391b
der ersten Stufe 39&sub1; des Turbokompressors 39 verbunden ist.
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Das von der ersten Stufe 39&sub1; (zweite Kompressionsstufe) stammende CO&sub2; wird
sodann über eine weitere Leitung 53 einem zweiten Kühler 54 zugeführt.
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Das im Hinblick auf seine Verflüssigung komprimierte CO&sub2; von dem Kühler 54 wird
über eine Rohrleitung 55 bis zur Ansaugung durch einen volumetrischen
Kompressor 56 geführt, der eine dritte und letzte Kompressionsstufe bildet, in welcher sich
das CO&sub2; im Hinblick auf seine Lagerung nach seiner vollständigen Verflüssigung in
einem Zustand gesättigten Dampfes befindet. Das gesättigte, von dem Kompressor
56 angesaugte Gas wird einer Rohrleitung 57 zugeführt. Die Versorgung der CO&sub2;-
Kühler 51/54 durch Kühlwasser wird durch die Zentrifugenpumpe 46 gewährleistet.
Diese Pumpe ist stauseitig über eine Rohrleitung 58 mit einem Kühler 51
verbunden. Der Ausgang des Kühlers 51 ist über eine Rohrleitung 59 mit dem Eingang des
Kühlers 54 verbunden. Am Ausgang des Kühlers 54 wird das Wasser einer
Rohrleitung 60 zugeführt. Der Hauptkondensor 43 enthält in seiner kalten Zone eine
Öffnung 43f, an welche eine Leitung 61 angeschlossen ist. Der Anteil des vom
volumentrischen Hauptmotor 5 ausgestoßenen Wasserdampfes mittleren Drucks wird im
Hinblick auf seine Regenerierung der Kompressionskammer 402c der zweiten Stufe
402 des Turbokompressors 40 zugeführt: am Ausgang dieser Kammer 402c wird der
Dampf über eine Rohrleitung 62 bis zum Eingang der Kammer 401b der ersten Stufe
41 des Turbokompressors 40 geführt. Der rekomprimierte Dampf weist einen Druck
in der Größenordnung von 11 bar auf, wird am Ausgang der Kammer 401b gestaut
und in eine Rohrleitung 63 eingeleitet.
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An die Rohrleitung 37, welche den Wasserdampf mittleren Drucks mit den
Turbokompressoren 39/40 verbindet, ist eine Leitung 64 zur Füllung dieses Dampfes
mittleren Drucks angeschlossen.
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Der regenerierte, ausgestoßene Dampf des Turbokompressors 40 wird über die
Rohrleitung 63 (Figur 7) kanalisiert und über eine Rohrleitung 63&sub1; einem volumetrischen
Zusatzmotor 65 zugeführt, welcher beispielsweise unter der Typenbezeichnung
"kleines Pferd (petit cheval)" bekannt ist und an einem seiner Enden zwei
Extraktionspumpen 66/67 antreibt sowie am anderen Ende eine Versorgungspumpe 68 für den
Dampfgenerator 1.
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Die Versorgungspumpe 68 hat beispielsweise zwei Körper variablen Auslasses,
wobei die Regelung des Auslasses mit Hilfe eines Organs 68a erfolgt, das über ein
Gestänge 69/70 mit einem Regler für die Zentrifugengeschwindigkeit 71 verbunden
ist, welchem ein hydraulischer Servomotor zugeordnet ist. Der
Geschwindigkeitsregulierer 71 steuert über ein Gestänge 72 einen Auslaßregler/Mischer 73 für
Propan/Sauerstoff.
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In der Unterwasseranwendung befinden sich die Flaschenbatterien für das Propan
und für den Sauerstoff außerhalb des Bootskörpers 74. Das brennbare Gas (Propan)
wird in den Flaschen 75 gelagert.
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Das von diesen Flaschen ausgegebene Propangas wird über eine Leitung geringen
Querschnitts 76, welche durch eine Öffnung in der Wandung 77 verläuft, einem
Auslaßregler/Mischer 73 zugeführt.
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Der Sauerstoffträger wird in einer Flaschenbatterie 78 gelagert, deren Flaschen mit
Druckreglern 79 ausgerüstet sind, welche untereinander mit Röhren geringen
Querschnitts 80 in Serie geschaltet verbunden sind. Die Flaschenbatterie 78 ist über den
Druckregler der Flasche 78a direkt mit dem Regler/Mischer 73 verbunden, und zwar
über ein Rohr 81, welches eine weitere Öffnung in der Wandung 82 durchquert.
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Das vom volumetrischen Kompressor 56 stammende CO&sub2; im gesättigten,
gasförmigen Zustand wird durch das Rohr 57 geleitet und unter Druck über einen Durchgang
in der Wandung 83 einem äußeren Verflüssigungsgefäß 84 zugeführt, welches mit dem
das Unterseeboot umgebenden Wasser in Kontakt steht und in welchem die letzte
Phase der Verflüssigung des CO&sub2; stattfindet.
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Das verflüssigte CO&sub2; 85 wird im unteren Bereich des Gefäßes 84 gesammelt.
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Das Fassungsvermögen des Gefäßes 84 ist so bemessen, daß es im Hinblick auf die
Lagerung des flüssigen CO&sub2; als Relais dienen kann, wobei diese Lagerung in den
Flaschen 78 erfolgt, welche vorher den zur Verbrennung benötigten Sauerstoff
beinhalteten und zwar in dem Maß, in welchem der Sauerstoff verbraucht wird.
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Das Gefäß 84 umfaßt ein Tauchrohr 84a, dessen freies Ende in das flüssige CO&sub2; 85
eintaucht.
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Das Tauchrohr 84a ist an der Außenseite des Gefäßes 84 durch ein Gestänge 86
verlängert, welches zu einem Kollektor 87 führt, an welchen die Druckregler 79
angeschlossen sind.
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In Figur 7 ist an Hand einer Ausführungsform beispielhaft dargestellt, daß die leere
Sauerstoffflasche 78a unter der Wirkung der Druckdifferenzen, welche sich zwischen
dem Sauerstoff und dem CO&sub2; im Druckregler 79 der Flasche 78a aufbauen, gerade
mit CO&sub2; gefüllt wird. Genauso funktioniert es, wenn sich der Druckregler 79 der
Flasche 78b in dieser Stellung befindet und unter der Wirkung der genannten
Druckdifferenz ist die Funktion auch für alle folgenden Flaschen die gleiche.
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Die Flasche 78b ist in Betrieb und entleert sich über die miteinander in Verbindung
stehenden Rohrstücke 80/81. Die Flasche 78c befindet sich in Bereitschaftsstellung.
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Bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind nur drei
Sauerstoffflaschen 78 und zwei Treibgasflaschen 75 (für Propangas) dargestellt. Es sei angemerkt,
daß die beiden Batterien 75/78 eine beliebige Anzahl an Flaschen enthalten können.
Der Ersatz des zur Verbrennung dienenden Sauerstoffs durch das verflüssigte CO&sub2; in
der Flaschenbatterie 78 ist für die anaerobe Funktion der erfindungsgemäßen
thermischen Maschine von größter Bedeutung aufgrund der Tatsache, daß das
Hauptproblem derartiger Maschinen in Unterseebooten die Beseitigung des CO&sub2; ist, welches
bei der Verbrennung des Gemisches aus Treibstoffgas und Sauerstoffträger im
Generator 1 entsteht.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist insbesondere deshalb interessant, weil der
Austausch der von Sauerstoff entleerten und mit verflüssigtem CO&sub2; wiedergefüllten
Flaschen 78 durch neue Sauerstoffflaschen auf einfache Weise erfolgen kann, da diese
Flaschen an der Außenseite des Rumpfes des Unterseebootes angebracht sind. Das
gleiche gilt für die Treibstoffgasflaschen 75, welche, wenn sie leer sind, durch volle
Flaschen ausgetauscht werden können, wobei es keine Rolle spielt, ob sich das
Unterseeboot in aufgetauchtem Zustand oder auf Tauchstation befindet, wobei lediglich
die Einschränkungen und Möglichkeiten der Taucher zu berücksichtigen sind,
welche diese Arbeiten in zugänglichen Tiefen vornehmen und welche in größeren Tiefen
durch Roboter ersetzt werden können.
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Der Auspuff 65a des volumetrischen Hilfsmotors 65 ist über ein Rohr 88 mit dem
Eingang 89a eines zweiten Kondensors 89 verbunden.
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Die Anlage umfaßt weiterhin einen Wiedererhitzer 90 für das Versorgungswasser des
Dampfgenerators 1.
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Der Kondensor 89 ist an einen Dampfejektor 91 angeschlossen, welcher über das
Rohr 61 mit der Öffnung 43f des Hauptkondensors 43 verbunden ist, wobei dieser
Ejektor 91 die vom Kondensor 43 nicht kondensierbare Mischung aus Luft und CO&sub2;
ansaugt. Der zweite Kondensor 89 erfüllt vier verschiedene Funktionen:
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(a) Abkühlen und Kondensieren des vom Ejektor 91 stammenden und diesem über
das Rohr 95 zugeführten Motordampfes;
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(b) Abkühlen der Mischung aus Luft und CO&sub2;, welche durch das Rohr 61 in den
Hauptkondensor 43 angesaugt und durch den Ejektor 91 komprimiert wurde;
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(c) Kondensieren des durch das Rohr 88 geleiteten Auslaßdampfes des
Zusatzmotors 65;
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(d) durch diese Abkühl- und Kondensationsschritte, das Überführen der in dem
zirkulierenden Wasser enthaltenen Wärme über die Rohranordnung 60/16 bis
zum Sammelbecken 14.
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Wie der Kondensor 89, erfüllt auch der Wiedererhitzer 90 verschiedene Funktionen:
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(a) Abkühlen und Kondensieren des vom Ejektor 93 stammenden und diesem über
das Rohr 96 zugeführten Motordampfes;
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(b) Abkühlen der Mischung aus Luft und CO&sub2;, welche über das mit dem
Kondensor 89 verbundene Rohr 92 angesaugt wird;
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(c) Verwenden der Wärme, welche in dem von der Fülleitung 64 stammenden
Dampf enthalten ist zur Wiedererhitzung des Versorgungswassers des
Generators 1.
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Die Antriebsflüssigkeit der beiden Ejektoren 91/93 besteht aus einem Teil des im
Turbokompressor 40 komprimierten und in das Rohr 63 geleiteten Dampfes, wobei
dieser Dampf am Ende dieses Rohres durch ein Rohr 94 geringeren Querschnitts
strömt, welches sich in zwei Kreisläufe aufteilt, deren einer durch eine
Rohranordnung 95 gebildet wird, welche zum Eingang des Ejektors 91 führt und deren anderer
durch eine weitere Rohranordnung 96 gebildet wird, welche zum Eingang des
Ejektors 93 führt.
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Die Extraktionspumpe 66 ist mit ihrer Ansaugöffnung mit dem Schacht 43a des
Kondensors 43 über die Rohrleitung 44 verbunden. Die im Schacht 43a gesammelten
Kondensate werden von der Pumpe 66 angesaugt und an das Gehäuse des
Kondensors 89 weitergegeben, und zwar über ein Rohr 97, welches an die Stauöffnung der
Pumpe 66 und an die Umhüllung des Kondensors angeschlossen ist.
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Die Extraktionspumpe 67 ist mit ihrer Ansaugöffnung sowohl mit dem Schacht 89a
des Kondensors 89 verbunden als auch mit einem automatischen Wasserabscheider,
welcher einen Schwimmer 99 aufweist und welcher den Schacht des Wiedererhitzers
des Versorgungswassers 90 bildet.
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Die vom Wiedererhitzer 90 stammenden Kondensate werden über diesen
automatischen Wasserabscheider 99 geleitet und zusammen mit den vom Kondensor 89
stammenden Kondensaten mit Hilfe der Pumpe 67 im Sammelgefäß für das Gas
zugeführt, welches den oberen Bereich des Kühlers 20 bildet, und zwar über eine
Rohranordnung 100, welche die Auslaßöffnung der Pumpe 67 mit dem
Sammelbehälter dieses Kühlers verbindet.
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Der Dampf mittleren Drucks, welcher am Auslaß des volumetrischen Hauptmotors 5
abgefüllt wird, wird über ein Rohr 64 dem Wiedererhitzer 90 zugeführt, an welchen
dieses Rohr angeschlossen ist und wird weiter als Heizflüssigkeit verwendet, um
die Temperatur des Versorgungswassers des Dampfgenerators zu erhöhen. Luft und
CO&sub2;, welche aus dem Wiedererhitzer 90 ausströmen, werden in ein Rohr 101 geleitet
und zum einen Teil in dem Expansionsgefäß des Kühlers 20 gesammelt, zum anderen
Teil über eine Rohranordnung 102 der Verbrennungskammer des Dampfgenerators
1 wieder zugeführt.
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Das Versorgungswassers des Generators 1 wird von einem Rohr 103 aufgenommen,
welches zum einen an die Kühler/Sammelbecken- Anordnung 20 und zum anderen
an die Ansaugöffnung der Versorgungspumpe 68 angeschlossen ist: das in den Kühler
20 angesaugte Wasser wird durch die Zusatzpumpe 68 dem Generator 1 zugeführt.
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Der Auslaß der Zusatzpumpe 68 ist über ein Rohr 104 mit dem Wiedererhitzer 90
verbunden, wo das Wasser unter anderem durch den der Rohrleitung 64 zugeführten
Füllungsdampf erhitzt wird.
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Das vom Generator stammende heiße Wasser 90 wird über die Rohrleitung 3 der
Welle 1b&sub1; des Heizrades 1b des Generators zugeleitet, wobei diese Rohrleitung an
den Wiedererhitzer 90 und den Generator angeschlossen ist.
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Das von der Zentrifugenpumpe 46 in Zirkulation gebrachte Wasser innerhalb des
CO&sub2;-Kühlers 51/54, welches dem Ausgang des Kühlers 54 über das Rohr 60
zugeführt wird, wird zu dem Kondensor 89 geleitet und sodann über die Leitung 16
zum Oberflächenkühler 8 des Verbrennungsgases des Dampfgenerators 1.
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Die Mischung aus Treibstoffgas und Sauerstoffträger (Propangas/Sauerstoff) wird
dem Brenner 1c des Generators 1 über die genannte Leitung 2 zugeführt, welche an
den Regler/Mischer 73 und an den Brenner 1c des Dampfgenerators angeschlossen
ist.
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Die aus den Abdichtungen der Welle 1b&sub1; des Heizrades 1b austretenden
Wasserverluste werden über zwei Rohranordnungen 105/106 geringen Querschnitts
wiedergewonnen, welche bei 107 zusammengeführt werden und als gemeinsames Rohr 108
zum Kühler 20 laufen.
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Der volumetrische Hilfsmotor 65 weist an einem der Enden seiner Kurbelwelle 65b
eine Scheibe mit Rillen 109 auf, welche in der schematischen Darstellung im Schnitt
und gestrichelt dargestellt ist und kinematisch mit einer Zwischenwelle 5&sub1; über einen
Riemenantrieb 110 und eine Scheibe 111 verbunden ist. Die Welle 5&sub1; trägt ein
konisches Ritzel 51a, wodurch der mechanische Antrieb des Reglers 71 gewährleistet
wird.
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Auf dieser Welle 5&sub1; ist außerdem eine zweite Scheibe mit Rillen 112 gelagert, welche
über einen Riemenantrieb 113 und eine Scheibe 114 den volumetrischen Kompressor
56 antreibt. Die Scheiben 112 und 114 und der Riemenantrieb 113 sind in der
Zeichnung gestrichelt dargestellt.
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Schließlich weist die Welle 5&sub1; eine Scheibe mit Rillen 115 auf, welche gegenüber der
Scheibe 23 angeordnet ist, die am Ende 5a&sub1; der Kurbelwelle 5a des Hauptmotors
fixiert ist, wobei die Scheiben 115 und 23 teilweise von einer Anordnung aus zwei
Antriebsriemen 116 umschlossen werden, die beispielsweise trapezförmigen Querschnitt
aufweisen.
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Diese Anordnung erlaubt es, die Kurbelwelle des Hauptmotors mit der
überschüssigen
Kraft des Hilfsmotors 65 zu beaufschlagen, welche von den Extraktionspumpen
66/67 und der Versorgungspumpe 68 nicht benötigt wird, oder erlaubt den
umgekehrten Weg für den Fall, daß der Zusatzmotor 65 defizitär arbeitet.
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Im folgenden wird Bezug genommen auf die Figuren 2 bis 4, welche die
erfindungsgemäße thermische Maschine bei ihrem atmosphärischen Betrieb zeigen.
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Die einander entsprechenden Teile, welche bereits unter Bezugnahme auf die Figuren
1 und 5 bis 7 beschrieben wurden, tragen die gleichen Bezugszeichen und werden
im folgenden aus Gründen der Übersichtlichkeit der Beschreibung nicht noch einmal
beschrieben.
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In dieser Version (Figur 2) wird der Brenner 1c über die Leitungsanordnung 2 mit
Treibstoff, beispielsweise Propangas, versorgt, wie es bei der anaeroben Version
erfolgt, wobei das Gas in einer Flaschenbatterie 75 gelagert wird, jedoch auch ein
anderer Treibstoff verwendet werden kann. Die dem Brenner 1c zugeführte
Mischung setzt sich aus einem Treibstoff (Propangas oder ein flüssiger Treibstoff) und
angesaugter atmosphärischer Luft zusammen. Die Luft wird dem Brenner durch
einen Ventilator 117 zugeführt, dessen Ansaugöffnung 117a über eine Leitung mit
der Außenluft verbunden ist. Die Auslaßöffnung 117b ist mit dem Brenner 1c über
eine Rohrleitung 118 verbunden.
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Das Verbrennungsgas CO&sub2; + H&sub2;O entweicht über ein Auspuffrohr 119 zur
Atmosphäre, welches an das Rohr 7 des Dampfgenerators 1 angeschlossen ist.
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Wie es in Figur 3 dargestellt ist, sind die beiden Turbokompressoren 39/40 in der
atmosphärischen Version der Maschine parallel zueinander geschaltet.
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Der vom volumetrischen Hauptmotor 5 ausgestoßene Dampf mittleren Drucks wird
in die Leitung 36 geleitet, welche sich über zwei Leitungskreise verlängert, deren einer
37 zum Kollektor 38 führt, welcher einen Teil des Dampfes auf die Motorturbinen
der beiden zweistufigen Turbokompressoren 39/40 leitet, wo die letzte Expansion
des Dampfes stattfindet. Die Funktion des Turbokompressors 40 entspricht
derjenigen
des in Figur 6 dargestellten Turbokompressors. Die beiden Turbokompressoren
sind zueinander parallel geschaltet, der Kreislauf für den Dampf mittleren Drucks
ist für die beiden Turbokompressoren 39/40 identisch. Der von den zweiten Stufen
39&sub2;/40&sub2; ausgestoßene Dampf wird dem Kondensor 43 zugeleitet. Dieser ist über eine
Rohrleitung 120 mit der Stauseite der beiden Pumpen 45/46 verbunden, welche bei
atmosphärischem Betrieb, beispielsweise parallel zueinander geschaltet sind. Nach
seinem Durchlauf durch den Hauptkondensor 43 wird das durch die Leitung 49
geleitete Wasser zum einen Teil über die Rohrleitung 60 dem zweiten Kondensor 89
zugeführt und zum anderen Teil über die Rohrleitung 49 durch den
Wärmeaustauscher 21 des Kühlers/Sammelbeckens 20 geleitet. Das aus dem Wärmeaustauscher
21 austretende Wasser wird über eine Rohrleitung 121 zum Sammelbecken 14
geleitet.
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An ihrer Oberseite trägt die Kombination aus Kühler und Sammelbecken 20 in der
anaeroben Version ein Überlaufrohr 20a, an welches ein Rohr 122 zur Zuführung
von Überschußwasser des Kühlers beim Sammelbecken 14 angeschlossen ist.
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In der anaeroben Version öffnet sich die Rohrleitung 122 in den Siphon 15, der sich
in das Sammelbecken 14 entleert.
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Der von der Leitung 36 stammende Teil des Dampfes mittleren Drucks wird im
Hinblick auf seine Rekompression dem Turbokompressor 39/40 über eine Rohrleitung
123 zugeleitet. Der Dampfkreislauf im Hinblick auf dessen Rekompression durch
den Turbokompressor 39 ist identisch mit demjenigen des Turbokompressors 40,
wie er unter Bezugnahme auf Figur 6 beschrieben wurde. Wiederum sind die
beiden Stufen 39&sub1;/39&sub2; über eine wärmeisolierte Rohrleitung 62 miteinander verbunden.
Der rekomprimierte Dampf, welcher einen Druck in der Größenordnung von 11 bar
aufweist und den beiden Stufen 39&sub1;/40&sub1; entweicht, wird in einer wärmeisolierten
Leitung 124 aufgefangen. Ein Teil dieses regenerierten Dampfes wird als Antriebsfluid
bis zu den Ejektoren 91/93 geleitet, und zwar über die Rohrleitungen 94/95/96, der
andere Teil wird über eine Rohrleitung 125 zu dem volumetrischen Zusatzmotor 65
geleitet.
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In der Darstellung gemäß Figur 3 und im Gegensatz zur Darstellung gemäß Figur 6,
in welcher die Pumpen elektrisch arbeiten, werden die Pumpen 45/46 beispielsweise
über die Welle 5&sub1; angetrieben, welche zwei volumetrischen Motoren gemeinsam ist,
und zwar dem Hauptmotor 5 und dem Zusatzmotor 65, wobei der Antrieb mit Hilfe
von Treibriemen 127 erfolgt, welche auf Scheiben 126 laufen, die auf der Welle 5&sub1;
fixiert sind.
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Die erfindungsgemäße Maschine wurde in ihren beiden Ausführungsformen, also in
anaerober und atmosphärischer Funktion, beschrieben. Es sei angemerkt, daß auch
die anaerobe Version vollständig dem atmosphärischen Betrieb angepaßt werden
kann, wobei auf das Auslaßrohr des Verbrennungsgases 7 ein Dreiwegeventil und
eine zusätzliche Leitung für den Auslaß der Gase an die Atmosphäre vorzusehen ist.
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Der Kreislauf für die Kompression des CO&sub2; im Hinblick auf dessen Lagerung ist
dann durch ein weiteres Dreiwegeventil isoliert, welches an dem
Mitteldruckdampfkreislauf angebracht ist, um einen Teil des entspannten Dampfes aus dem
volumetrischen Hauptmotor 5 auf die Antriebsturbinen der beiden Stufen 40&sub1;/40&sub2; des
Turbokompressors 40 zu leiten und den verbleibenden Dampf im Hinblick auf seine
Rekompression über den Turbokompressor zu leiten.
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Der volumetrische Kompressor für das CO&sub2; 56 kann dann durch Zwischenschaltung
einer Kupplung abgeschaltet werden, wobei diese Kupplung zwischen die sich
gemeinsam bewegende Welle 5&sub1; des Hauptmotors 5 und des Zusatzmotors 65 und den
volumetrischen Kompressor 56 eingebaut wird.
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Eine Ventilator zur Zuführung von Verbrennungsluft an den Brenner 1c des
Dampfgenerators ist vorzusehen, wie es unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben wurde.
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Es sei angemerkt, daß in dieser Betriebsart die als Sauerstoffträger dienende
atmosphärische Luft von dem Ventilator 117 geliefert wird und die
Sauerstoffflaschenbatterie 75 daher isoliert ist.
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Aus diesem Grund regelt der Mischer 73 lediglich die Treibstoffmenge.
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In dieser Betriebsart arbeitet der Dampfgenerator 1 mit einem Überschuß an
Verbrennungsluft.