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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung umfasst umweltsaubere Motorkonzepte mit null
oder sehr niedrigen Emissionslevels während des Betriebs. Die Erfindung
CLEAN AIR ENGINE (CLAIRE) ist direkt anwendbar sowohl auf Transportfahrzeuge,
einschließlich
Automobile, Lastkraftwagen, Bahnen, Flugzeuge, Schiffe, als auch
auf Anwendungen der stationären
Leistungserzeugung. Die Konzepte umfassen Hybrid-, Zweizyklus- und
Einzyklusmotoren.
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Technischer Hintergrund
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Nach
dem derzeitigen Stand der Technik werden zur Erzeugung von Leistung
für Transportzwecke
im Wesentlichen Gas- oder Dieselmotoren mit innerer Verbrennung
verwendet. Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden für die Erzeugung von
elektrischer Leistung Gasturbinen und/oder Dampfturbinen verwendet.
Diese Einrichtungen verbrennen Kohlenwasserstoff-Treibstoffe mit
Luft, welche (in Gewichtsanteilen) 23,1% Sauerstoff, 75,6% Stickstoff
und die restlichen 1,3% in Form von anderen Gasen enthält. Die
Emissionen, welche aus der Verbrennung von Treibstoffen für Motoren
mit innerer Verbrennung (Benzin oder Diesel) mit Luft resultieren,
enthalten die folgenden Schadstoffe, die als schädlich für unsere Luftumgebung angesehen
werden. Diese Smog-verursachenden Schadstoffe sind: totale organische
Gase (TOG); reak tive organische Gase (ROG); Kohlenmonoxid (CO);
Stickstoffoxide (NOx); Schwefeloxide (SOx) und Partikel (PM). Circa die
Hälfte
der insgesamt von allen Luftverschmutzungsquellen in Kalifornien
emittierten Schadstoffe wird von Straßenfahrzeugen erzeugt (Emission
Inventory 1991, State of California Air Resources Board, erstellt
im Januar 1994). Die Hauptquelle dieser Fahrzeugemission stammt
aus Personenkraftwagen und leichten bis mittelschweren Lastkraftwagen.
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Es
scheinen keine nahfristigen Lösungen
in Sicht, um die riesige Menge an Luftschadstoffen zu reduzieren,
welche von den vielen Millionen Automobilen und Lastkraftwagen emittiert
werden, die heute in Betrieb sind. Basierend auf der Studie des
State of California Air Resources Board beträgt der durchschnittliche Pro-Kopf-Ausstoß an Luftschadstoffen von
mobilen Fahrzeugen in Kalifornien, wie von dieser Stelle während des
Jahres 1991 überwacht
und im Jahre 1994 berichtet, ca. 1,50 lb/Tag pro Person. Bei einer
nationalen Bevölkerung
von über 250000000
Menschen extrapoliert sich dieser Wert auf über 180000 Tonnen Luftemissionen
pro Tag, die in den USA durch mobile Fahrzeuge ausgestoßen werden.
Ferner steigt die Anzahl der Kraftwagen und der gefahrenen Meilen
immer weiter, was die Bestrebungen, Smog-verursachende Schadstoffe
zu reduzieren, weiter behindert.
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Die
zulässigen
Emissionsschwellenwerte werden durch föderale und bundesstaatliche
Mandate rasch verschärft.
Diese Reduzierungen der zulässigen
Emissionen stellen große
Forderungen an die Transportindustrie und die elektrische Leistung
erzeugende Industrie, neue und emissionsärmere Leistungssysteme zu entwickeln.
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Zwar
richten sich beachtliche Anstrengungen dahin, die Reichweite von
Null-Emissions-Elektrofahrzeugen
(ZEV) zu verbessern durch die Entwicklung von Akkumulatoren, die
eine höhere
Energiekapazität
aufweisen und kostengünstiger
sind, jedoch wird das Emissionsproblem aus dem Fahrzeug in die elektrische
Leistung erzeugende Anlage verlagert, die durch föderale Gesetzgebung
(Clean Air Act Amendments 1990) ebenfalls verpflichtet ist, die
gleichen lufttoxischen Emissionen zu reduzieren wie die für Automobile
und Lastkraftwagen spezifizierten.
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Der
derzeitige weltweite Stand der Technik zur Erzeugung von Leistung
für Verbraucher
von Elektrizität
beruht in der Hauptsache auf fossile Treibstoffe verbrennenden Motoren.
Diese Motoren verbrennen Kohlenwasserstoff-Treibstoffe mit Luft. Wie
oben beschrieben, erzeugt die Verbrennung von fossilen Treibstoffen
mit Luft üblicherweise
Verbrennungsprodukte, die eine Anzahl von Schadstoffen enthalten,
welche an bestimmten Orten zulässig sind.
Die zulässigen
Schadstoffschwellenwerte werden mit der Zeit weiter gesenkt, so
dass zunehmend Druck auf die Industrie ausgeübt wird, bessere Lösungen zu
finden zur Minderung dieser Schadstoffemissionen in der elektrische
Leistung erzeugenden Industrie und anderen Leistung erzeugenden
Industrien.
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Andere
Energiequellen, die entwickelt werden, um das Emissionsproblem durch
Nutzung nicht-brennbarer Energiequellen zu lösen, umfassen Brennstoffzellen
und Solarzellen. Die Entwickler sind dabei, zahlreiche der technologischen
und ökonomischen
Probleme dieser alternativen Quellen zu lösen. Jedoch scheint eine weitverbreitete
Nutzung dieser Energiequellen für
Fahrzeuge und für
elektrische Leistung erzeugende Einrichtungen noch nicht praktikabel.
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Die
GB-A-2 111 602 offenbart
eine Kombi-Zyklus-Einrichtung für
die Synthesegasproduktion, wobei Kohlenwasserstoff-Treibstoff, Sauerstoff
und Dampf in einer Brennkammer teilweise verbrannt werden, um eine
hohe Temperatur zu erzeugen und Reaktion des Restes zu verursachen.
Die Verbrennungs- und Reaktionsprodukte werden nach ihrer Passage
durch eine Gasturbine und nachfolgende Passage durch einen Wärmetauscher
zur Erzeugung von Dampf mittels eines Kondensators prozessiert, um
die flüssige
Komponente zu entfernen. Gemäß einer
Ausführungsform
werden die Gase danach durch einen Kompressor und einen Kühltank geliefert,
um Wasserstoff und Kohlenmonoxid bereitzustellen, welche in einem
Prozessreaktor zur Reaktion gebracht werden, um geeignete Kohlenwasserstoffprodukte zu
erzeugen, für
die als ein Beispiel Methanol genannt sei. Der am Tauscher erzeugte
Dampf wird zum Antrieb einer Dampfturbine verwendet. Elektrische
Leistung wird von einem Generator erzeugt, der durch die Gas- und
Dampfturbinen angetrieben wird. Die abgegebene Generatorleistung
wird verwendet, um alle bewegenden Mittel zur Prozessierung von Gasen
in dem Zyklus zu betreiben. Die Verbrennungsprodukte enthalten eine
beträchtliche
Menge an Kohlenmonoxid.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verbrennungsmotor mit
geringem oder keinem Emissionsausstoß bereitgestellt, wie in Anspruch
1 spezifiziert.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Bereitstellung von Leistung bereitgestellt, wie in Anspruch 13 spezifiziert.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
stellt ein Mittel bereit zu Entwicklung eines Leistungssystems für ein Fahrzeug
mit null oder sehr niedriger Emission (ZPV) und andere Transportanwendungen
(z. B. Schiene und Schiff) sowie eine elektrische Leistung erzeugende
Anlage mit null oder niedriger Emission. Die Null- oder sehr niedrige
Emission wird erzielt durch Entfernen der schädlichen Verunreinigungen aus
den hereinkommenden Treibstoff- und Oxidationsmittel-Reaktanten, bevor
sie in einem Gasgenerator oder einer Brennkammer vermischt und verbrannt
werden. Schwefel, Sulfide und Stickstoff sind die Hauptschadstoffe,
die aus den Kandidaten-Treibstoffen, welche sind Wasserstoff, Methan,
Propan, gereinigtes Erdgas und leichte Alkohole wie Ethanol und
Methan, entfernt werden müssen.
Weil Luft 76 Gew.% Stickstoff enthält, wird dieser zu einer Hauptemissionsquelle,
die ebenfalls entfernt werden muss, bevor die Luft mit dem sauberen
Treibstoff kombiniert wird.
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Die
Reinigung des Treibstoffs ist "straightforward" und bedarf keiner
weiteren Elaboration. Die Trennung des Sauerstoffs von dem Stickstoff
in der Luft aber wird auf vielfältige
Weise erzielt. Beispielsweise kann Stickstoff aus der Luft entfernt
werden durch Verflüssigung
der Luft und graduelle Trennung der zwei Hauptbestandteile Sauerstoff
und Stickstoff mittels eines Rektifikators (wie später noch
ausführlicher
beschrieben wird). Die Trennung der Gase beruht auf den zwei deutlich
auseinander liegenden Siedepunkten für Sauerstoff (162°R) und Stickstoff (139°R) bei Atmosphärendruck.
Luft verflüssigt
sich bei einer dazwischenliegenden Temperatur von 142°R.
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Weitere
Stickstoffentfernungstechniken umfassen die Dampfdruckwechseladsorption
und die Membran-basierte Lufttrennung. Bei der Dampfdruckwechseladsorption
werden Materialien verwendet, welche zur Adsorption und Desorp tion
von Sauerstoff befähigt
sind. Bei der Membran-basierten Lufttrennung wird ein Luft-Feed-Strom
unter Druck über
eine Membran geleitet. Die Membran erlaubt einer Komponente der
Luft leichter durch sie hindurchzutreten als andere Komponenten,
so dass die Menge von verschiedenen Komponenten auf einander gegenüberliegenden
Seiten der Membran angereichert wird. Derartige Membranen können aus
einer Vielfalt von verschiedenen Materialien hergestellt sein und
mehrere verschiedene physikalische Prozesse nutzen, um die gewünschte Abtrennung
von Stickstoff aus der Luft zu erzielen.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Hybrid-Leistungssystem, welches
einen nach dem Rankine-Prozess arbeitenden thermischen Zyklus mit
einem elektrischen Hilfsmotor für
Anfahr- und Abkühlungsanforderungen kombiniert.
Der thermische Leistungszyklus des Motors beginnt durch Komprimieren
von Umgebungsluft auf hohe Drücke,
Abkühlen
der Luft während
der Kompression und während
der Expansion auf Flüssiglufttemperaturen
in einem Rektifikator, wo die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff
stattfindet. Der erzeugte kalte gasförmige Stickstoff wird verwendet, um
die hereinkommende Luft zu kühlen
und wird dann bei einer Temperatur nahe Umgebungstemperatur in die
Atmosphäre
ausgestoßen.
Gleichzeitig wird der von dem Rektifikator erzeugte kalte gasförmige oder
flüssige
Sauerstoff auf Gasgenerator-Druckniveaus druckbeaufschlagt und dem
Gasgenerator bei einer Temperatur nahe Umgebungstemperatur zugeführt. Treibstoff,
gasförmig
oder flüssig,
von einem Vorratstank wird auf das Druckniveau des Sauerstoffs druckbeaufschlagt
und ebenfalls dem Gasgenerator zugeführt, wo die zwei Recktanten
in einem im Wesentlichen stöchiometrischen
Mischungsverhältnis
kombiniert werden, um vollständige
Verbrennung und Maximaltemperatur-Heißgase (6500°R) zu erzielen.
Diese Heißgase
werden dann stromabwärts
in einem Mischabschnitt des Gasgenerators mit Wasser verdünnt, bis
die resultierende Temperatur auf akzeptable Turbineneinlasstemperaturen
gesenkt ist (2000°R).
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Das
aus diesem Mischprozess erzeugte Antriebsgas besteht aus hochreinem
Dampf bei Verwendung von Sauerstoff und Wasserstoff als Treibstoff
oder aus einer Kombination von hochreinem Dampf und Kohlendioxid
(CO2) bei Verwendung von Sauerstoff und leichten Kohlenwasserstoff-Treibstoffen
(Methan, Propan, Methanol etc.). Nach der Expansion des Heißgases in
der Turbine, welche dem Fahrzeug oder der elektrische Leistung erzeugenden Anlage
Leistung bereitstellt, werden der Dampf oder die Dampf-plus-CO2-Mischung
in einem Kondensator auf einen Druck nahe oder unterhalb Atmosphärendruck
gekühlt,
wobei der Dampf zu Wasser kondensiert und somit ein Rankine-Zyklus
vervollständigt
wird. Circa 75% des kondensierten Wassers werden zu dem Gasgenerator
rezirkuliert, während
der Rest zum Kühlen
verwendet und als warmer Wasserdampf in die Atmosphäre ausgestoßen wird.
Bei Verwendung von leichten Kohlenwasserstoffen als Treibstoff wird
das in dem Kondensator verbleibende gasförmige Kohlendioxid auf einen
Druck verdichtet, der etwas oberhalb Atmosphärendruck liegt, und wird entweder
in einen festen oder in einen flüssigen
Zustand umgewandelt für
periodische Entnahme, oder das Gas kann in die Atmosphäre ausgestoßen werden,
wenn ein derartiger Ausstoß als
nicht schädigend
für die
lokale Luftumwelt angesehen wird.
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Weil
dieser thermische Zyklus Zeit erfordert, um die Verflüssigungseinrichtung
auf stationäre
Niedertemperaturen abzukühlen,
kann ein Elektromotor, angetrieben von einer Hilfsbatterie, verwendet
werden, um dem Fahrzeug Leistung bereitzustellen und den Rankine-Prozess
zu initiieren, bis Abkühlung
der Verflüssigungseinrichtung
erzielt ist. Wenn die Abkühlung
abgeschlossen ist, wird der thermische Rankine-Motor, verbunden
mit einem Alternator, verwendet, um dem Fahrzeug oder der stationären Leistungsanlage
Leistung bereitzustellen und die Hilfsbatterie wiederaufzuladen.
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Die
Kombination dieser beiden Leistungssysteme, auch als Hybridfahrzeug
bezeichnet, stößt null
oder sehr wenig Emission in beiden Betriebsarten aus. Ferner wird
die Elektromotorbatterie durch den null oder sehr wenig Emission
ausstoßenden thermischen
Rankine-Zyklus-Motor selbst wiederaufgeladen und benötigt somit
keine separate elektrische Leistung erzeugende Anlage zum Wiederaufladen.
Dies vermindert den Leistungsbedarf aus zentralen Leistungsstationen
und reduziert ferner eine potentielle Quelle toxischer Luftemissionen.
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An
Stelle des elektrischen Antriebsmotors und der Batterie kann der
Rankine-Zyklus-Motor,
unter Hinzufügung
von ein paar Steuerventilen, auch als offener Brayton-Zyklus mit
minimaler Emission betrieben werden, wobei Treibstoff und hereinkommende
Luft verbrannt werden, um dem Fahrzeug Leistung bereitzustellen
während
des Zeitabschnitts, der erforderlich ist, um der Verflüssigungseinrichtung des
Rankine-Zyklus-Motors Zeit zum Abkühlen zu geben. Dieses Merkmal
ist eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Der
Rankine-Zyklus-Motor mit null oder sehr niedriger Emission kann
ferner verwendet werden in einem thermischen Einzyklus-Modus für Fahrzeuge mit
lang andauerndem kontinuierlichen Betrieb, z. B. Schwerlastkraftwagen,
Bahnen, Schiffe, und für
stationäre
Leistung erzeugende Anlagen, wo die Abkühlzeit nicht kritisch ist für den Gesamtbetriebszyklus.
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Die
Anpassung des thermischen Otto- und Diesel-Zyklus an einen Niedrigemissions-Hybridmotor
ist ebenfalls als Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst. Durch die Verwendung dieser
thermischen Zyklen erübrigt
sich die Notwendigkeit eines Kondensators und Rezirkulationswassersystems.
Niedertemperaturdampf oder Dampf/Kohlendioxidgase werden als Arbeitsfluid
rezirkuliert und übernehmen
somit die Funktion des Rezirkulationswasserquench der früher erörterten
Rankine-Zyklus-Ausführungsformen.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, welche durch die
beigefügten
Ansprüche
definiert sind, ergeben sich in Zusammenhang mit der Zeichnung;
es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung, welche eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung und ihre Elemente, zusammen mit ihrer Konnektivität illustriert.
Diese Ausführungsform
stellt ein Hybrid-Leistungssystem mit sehr niedriger Emission oder
null Emission für
Fahrzeug- und andere Anwendungen dar. Der Treibstoff-Reaktant ist
ein leichter Kohlenwasserstoff-Typ, z. B. Methan, Propan, gereinigtes
Erdgas und Alkohole (d. h. Methanol, Ethanol);
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2 eine
schematische Darstellung, welche eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung illustriert, die ebenfalls ein Hybrid-Leistungssystem
mit sehr niedriger Emission oder null Emission für Fahrzeug- und andere Anwendungen
darstellt, wobei der Treibstoff gasförmiger Wasserstoff ist;
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3 eine
schematische Darstellung, welche eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung illustriert, die ein Leistungssystem mit sehr niedriger
Emission oder null Emission für
Fahrzeug- und andere Anwendungen im Teillast- und kontinuierlichen
Betrieb darstellt. Während
des Anfahrens und für
einen kurzen Zeitabschnitt danach läuft der Motor in einem offenen
Brayton-Zyklus-Modus
und emittiert somit einige Schadstoffe;
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4 ein
Temperatur-Entropie-Diagramm für
das Arbeitsfluid, wobei der erste von zwei Zyklen gezeigt ist, welche
in dem Dualmodus-Motor von 3 verwendet
werden. Dieser Zyklus ist ein offener Brayton-Zyklus mit Zwischenkühlung zwischen Kompressorstufen
(Modus I);
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5 ein
Temperatur-Entropie-Diagramm für
das Arbeitsfluid, wobei der zweite Zyklus gezeigt ist, der in dem
Dualmodus-Motor von 3 verwendet wird. Dieser Zyklus
ist ein Rankine-Zyklus mit Regeneration (Modus II);
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6 eine
schematische Darstellung, welche eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung und ihre Zwischenverbindungselemente illustriert. Die
Ausführungsform
stellt ein Hybrid-Leistungssystem mit sehr niedriger Emission oder
null Emission für
Fahrzeug- und andere Anwendungen ähnlich dem von 1 dar,
wobei jedoch dem Leistungszyklus zwei Zwischenerhitzer hinzugefügt sind für verbesserte
Performance. Der Treibstoff-Reaktant für diesen Zyklus ist ein leichter
Kohlenwasserstoff;
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7 eine
schematische Darstellung, welche eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung und ihre Zwischenverbindungselemente illustriert. Diese
Ausführungsform
stellt ein Hybrid-Leistungssystem mit sehr niedriger Emission oder
null Emission ähnlich
dem von 2 dar, wobei jedoch den Leistungszyklen
zwei Zwischenerhitzer hinzugefügt
sind für
verbesserte Performance. Der Treibstoff-Reaktant für diesen
Zyklus ist Wasserstoff;
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8 ein
Temperatur-Entropie-Diagramm für
das Arbeitsfluid für
den Leistungszyklus, der für die
in 6 und 7 gezeigten thermischen Motoren
verwendet wird. Dieser Zyklus umfasst den Rankine-Zyklus mit Regeneration
und Zwischenerhitzung für
verbesserte Performance;
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9 eine
schematische Darstellung, welche eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung illustriert, umfassend einen Hybridmotor mit sehr niedriger
Emission oder null Emission mit einem Elektromotorantrieb und einem
Rankine-Leistungszyklus mit Turbomaschinen vom dynamischen Typ. Der
Rankine-Leistungszyklus nutzt Regeneration und Zwischenerhitzer
für verbesserte
Zykluseffizienz und Leistungsdichte;
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10 eine
schematische Darstellung, welche eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung illustriert, umfassend einen Niedrigemissions-Hybridmotor
mit einem Elektromotorantrieb und einem Otto-Leistungszyklus-Kolbenmotor;
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11 eine
schematische Darstellung, welche eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung illustriert, umfassend einen Niedrigemissions-Hybridmotor
mit einem Elektromotorantrieb und einem Diesel-Leistungszyklus-Kolbenmotor;
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12 eine
schematische Darstellung, welche einen grundlegenden Niedrigemissions-Motor
illustriert, wobei ein Rektifikator und Luftverflüssigungsvorrichtungen
früherer
Ausführungsformen durch
eine Lufttrennanlage ersetzt sind, welche Stickstoff aus der Luft
abtrennt mittels einer beliebigen aus einer Vielfalt von Techniken,
umfassend Verflüssigung,
Dampfdruckwechseladsorption, Membran-basierte Lufttrennung etc.;
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13 eine
schematische Darstellung ähnlich
der in 12 gezeigten, wobei jedoch der
darin offenbarte Zyklus Regeneration umfasst;
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14 eine
schematische Darstellung ähnlich
der in den 12 und 13 offenbarten,
wobei jedoch eine Zweizyklusanordnung bereitgestellt ist, umfassend
einen "Bottoming"-Zyklus für verbesserte Effizienz;
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15 eine
schematische Darstellung einer typischen Druckwechseladsorptionsanlage
zur Verwendung als die Lufttrennanlage in einem der in den 12–14 offenbarten
Motoren;
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16 eine
schematische Darstellung eines Membranfluss-basierten zweistufigen
Sauerstoff- und Stickstoff-Anreicherungssystems zur Verwendung als
Teil der Lufttrennanlage der in den 12–14 offenbarten
Zyklen.
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Beste Ausführungsformen der Erfindung
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Gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung illustriert 1 einen
thermischen Rankine-Zyklus-Motor mit null oder sehr niedriger Emission,
welcher mit einem Nullemissions-Elektromotor parallel arbeitet (auch
als Hybrid-Motor bezeichnet). Der Rankine-Motor besteht aus einem
dynamischen Turbokompressor 10, einem Kolbenmotor 20,
einer Leistungsübertragung 30,
einem Wärmetauscher 40,
einem Turboexpander 50, einem Rektifikator 60,
einem Gasgenerator 70, einem Kondensator 80, einer
Rezirkulationswasserspeisepumpe 90, einem Wasserheizer 100 und
einem Kondensatorkühlmittelradiator 110.
Der elektrische Motor besteht aus einem Alternator 120,
einer Batterie 130 und einem Elektromotor 140.
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Der
Betrieb des Hybridmotors beginnt durch Starten des Elektromotors 140 unter
Verwendung der Batterie 130 als Energiequelle. Der Elektromotor 140 treibt
den Kolbenmotor 20 über
die Leistungsübertragung 30 und
initiiert dadurch den Start des thermischen Motors, der eine Abkühlperiode
für die
Verflüssigungseinrichtung,
bestehend aus Wärmetauscher 40,
Turboexpander 50 und Rektifikator 60, verlangt.
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Die
Aktivierung des thermischen Motors initiiert die Kompression von
Luft bei Umgebungstemperatur aus einer umliegenden Umgebung, die über einen
Lufteinlasskanal 1 in den dynamischen Kompressor 2 eintritt.
Der Kompressor 2 hebt die Luft auf den Auslegungsausstoßdruck an.
Die Luft tritt dann über
einen Kanal 3 aus, um in einen Zwischenkühler 4 zu
gelangen, wo die Kompressionswärme
durch externe Kühlmittel 5 (d.
h. Luft, Wasser, Freon etc.) abgeführt wird. Kondensierter Wasserdampf
aus der Luft wird über
einen Ablass 6 abgezogen. Die Luft tritt über einen
Kanal 7 aus dem Zwischenkühler 4 aus und gelangt
dann bei einer Temperatur gleich dem Kompressoreinlass in den Kolbenkompressor 8,
wo sie auf den Auslegungsausstoßdruck
angehoben wird. Die Luft tritt über
einen Kanal 9 aus, um in einen Zwischenkühler 11 zu
gelangen, und wird erneut auf die Einlasstemperatur des Kompressors
ge kühlt. Dieser
Kompressions-/Abkühlungs-Zyklus
wird wiederholt, während
die Luft über
einen Kanal 12 aus dem Zwischenkühler 11 aus- und in
einen Kolbenkompressor 13 eintritt, dann über einen
Kanal 14 austritt, in einen Zwischenkühler 15 eintritt und
durch einen Kanal 16 austritt, um die Unter-Druck-Setzung der Luft
zu vervollständigen.
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Die
Hochdruckluft bei Umgebungstemperatur gelangt dann in den Wäscher 17,
wo jegliche Gase oder Fluide, welche während der nachfolgenden Verflüssigung
gefrieren könnten,
entfernt werden. Diese Gase und Flüssigkeiten umfassen Kohlendioxid
(Kanal 18a und Speichertank 18b), Öl (Leitung 19a und
Speichertank 19b) und Wasserdampf (Abzugsablass 21).
Das Öl
kann aus einer Vielfalt von Quellen stammen, z. B. Leckage aus den
Luftkompressionsmaschinen. Die trockene Luft tritt dann über einen
Kanal 22 aus und gelangt in den Wärmetauscher 40, wo
die Luft durch rückgeführten gasförmigen Niedertemperaturstickstoff
gekühlt
wird.
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Die
trockene Luft ist nun bereit, durch eine Luftbehandlungsvorrichtung
für die
Abtrennung von Stickstoff aus der Luft geleitet zu werden, um stickstofffreien
Sauerstoff zur Verbrennung bereitzustellen, wie unten erörtert. Die
trockene Luft enthält – in Gewichtsanteilen – 23,1%
Sauerstoff, 75,6% Stickstoff, 1,285% Argon und geringe Spuren von
Wasserstoff, Helium, Neon, Krypton und Xenon (insgesamt 0,0013%).
Argon hat eine Verflüssigungstemperatur von
157,5°R,
die zwischen den Stickstoff- und Sauerstoff-Siedepunkten von 139,9°R bzw. 162,4°R liegt. Daher
wird Argon, welches nicht entfernt wird, während des Verflüssigungsprozesses
verflüssigen.
Die restlichen Spuren der Gase Wasserstoff, Helium und Neon sind
unkondensierbar bei Temperaturen oberhalb 49°R, während Krypton und Neon sich
verflüssigen
werden; jedoch werden die Spurenmengen dieser letztgenannten Gase
als unerheblich für
den folgenden Luftverflüssigungsprozess
angesehen.
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Die
trockene Luft tritt dann über
einen Kanal 23 aus und gelangt in den Turboexpander 24,
wo die Lufttemperatur weiter reduziert wird auf einen Wert nahe
Flüssiglufttemperatur,
bevor sie über
einen Kanal 25 austritt und in den Rektifikator 60 gelangt
(gezeigt ist eine Ausführung
vom Zweisäulentyp).
Innerhalb des Rektifikators, wenn nicht schon vorher, wird die Luft
auf eine Temperatur unterhalb der Sauerstoffverflüssigungstemperatur
gekühlt.
Vorzugsweise wird ein Zweisäulen-Typ-Rektifikator 60 verwendet, wie
der im Detail in der Arbeit: The Physical Principles of Gas Liquefaction
and Low Temperature Rectification, Davies (erstmals publiziert von
Longmans, Green and Co. 1949) beschriebene.
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Die
Luft tritt aus dem unteren Rektifikator-Wärmetauscher 26 über einen
Kanal 27 bei Flüssiglufttemperatur
aus und gelangt in die unteren Säulenböden des
Rektifikators, wo die Sauerstoff/Stickstoff-Trennung initiiert wird.
Eine Flüssigkeit
mit ca. 40% Sauerstoff tritt über
einen Kanal 28 aus und gelangt in die obere Rektifikatorsäule, wo
eine höherprozentige
Sauerstoffkonzentration erzeugt wird. Flüssiger Stickstoff bei 96% Reinheit
wird von der unteren Rektifikatorsäule zu der oberen Säule rezirkuliert
mittels eines Kanals 29. Gasförmiger Stickstoff bei 99% Reinheit
(1% Argon) tritt über
einen Kanal 31 aus und gelangt in den Wärmetauscher 40, wo
Kühlung
der hereinkommenden Luft durchgeführt wird, bevor sie über einen
Kanal 32 bei einer Temperatur und einem Druck nahe Umgebungstemperatur
und -druck in die Atmosphäre
ausgestoßen
wird. Gasförmiger
oder flüssiger
Sauerstoff bei 95% Reinheit (5% Argon) tritt über einen Kanal 33 aus
und gelangt in den Turboexpanderkompressor 34, wo der Sauerstoff
auf den Auslegungsdruck druckbeaufschlagt wird. Der Hochdrucksauerstoff
tritt dann über
einen Kanal 35 aus und gelangt in den Gasgenerator 70.
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Ein
leichter Kohlenwasserstoff-Treibstoff (Methan, Propan, gereinigtes
Erdgas und leichte Alkohole wie Ethanol und Methanol) verlässt den
Treibstoffvorratstank 37 über einen Kanal 38 und
gelangt in den Kolbenmotorzylinder 39, wo der Treibstoff
auf den Auslegungsausstoßdruck
angehoben wird. Der Treibstoff tritt dann über einen Kanal 41 aus
und gelangt in den Gasgenerator 70, um mit dem hereinkommenden
Sauerstoff in dem stöchiometrischen
Mischungsverhältnis
gemischt zu werden, mit dem vollständige Verbrennung und maximale
Heißgastemperatur
(ca. 6500°R)
erzielt werden. Der Gasgenerator umfasst eine Zündvorrichtung, z. B. eine Zündkerze, um
die Verbrennung einzuleiten. Zwar stellt der Gasgenerator 70 die
bevorzugte Form von Treibstoff-Verbrennungsvorrichtung
für diese
Ausführungsform dar;
es könnten
jedoch auch andere Treibstoff-Verbrennungsvorrichtungen verwendet
werden, z. B. solche, wie sie in den folgenden alternativen Ausführungsformen
erörtert
werden. Die Verbrennungsprodukte dieser Recktanten resultieren in
einem hochreinen Dampf und Kohlendioxidgas und einer kleinen Menge
an gasförmigem
Argon (4%).
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Nach
der vollständigen
Verbrennung der Hochtemperaturgase wird Rezirkulationswasser in den
Gasgenerator 70 über
eine Leitung 42 eingespritzt, wodurch die Hochtemperaturgase
verdünnt werden
auf ein Antriebsgas mit einer niedrigeren Temperatur, die für den Kolbenmotor
akzeptabel ist (ca. 2000°R).
Dieser Wasserzufluss erhöht
ferner die Verbrennungsprodukt-Massenflussrate, welche für Expansion
und Leistungserzeugung zur Verfügung steht.
Das Antriebsgas tritt dann über
einen Ausstoßkanal 43 aus
dem Gasgenerator 70 aus, gelangt in den Kolbenzylinder 44,
expandiert und stellt Leistung für
die Leistungsübertragung 30 bereit.
Andere Verbrennungsprodukt-Expansionsvorrichtungen können an
die Stelle des Kolbenzylinders 44 treten, z. B. die dynamischen
Turbinen, welche in der nachfolgenden sechsten Ausführungsform
erörtert
werden. Das Gas tritt über
einen Kanal 45 aus, gelangt in den zweiten Zylinder 46,
expandiert und stellt ebenfalls Leistung für die Leistungsübertragung
bereit; das Gas tritt über
einen Kanal 47 aus und stellt Leistung für die dynamische
Turbine 48 bereit, welche den Zentrifugalkompressor 2 antreibt,
der während
des Anfahrens von dem Elektromotor 140 angetrieben wurde,
und den Alternator 120, um die Batterie 130 wiederaufzuladen.
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Das
Gas tritt dann über
einen Kanal 49 aus, gelangt in den Wasserheizer 100,
wo Restwärme
in dem Gas auf das von der Pumpe 90 gepumpte Rezirkulationswasser übertragen
wird; das Wassererhitzergas tritt über einen Kanal 51 aus,
gelangt – bei
oder unterhalb Atmosphärendruck – in den
Kondensator 80, wo Kondensation des Dampfes zu Wasser und Abtrennung
des Kohlendioxids stattfinden. Das kondensierte Wasser tritt über eine
Leitung 52 aus, gelangt in die Pumpe 90, wo der
Druck des Wassers auf das Zuführungsdruckniveau
des Gasgenerators 70 angehoben wird. Ein größerer Teil
des Ausstoßwassers
von der Pumpe 90 tritt über
eine Leitung 53 aus, gelangt in den Wasserheizer 100,
wo Wärme
von dem Abgas der Turbine 48 übertragen wird, und tritt dann über die
Leitung 42 aus, um dem Gasgenerator 70 zugeführt zu werden.
Das restliche Wasser vom Ausstoß der
Pumpe 90 tritt über
einen Kanal 54 aus und wird durch Düsen 55 in den Radiator 110 eingespritzt
(Verdampfungskühlung).
Kühlmittel
für die Kondensatorgase
wird über
einen Kanal 56 zu dem Radiator 110 rezirkuliert,
wo Wärme
an die Umgebungsluft abgeführt
wird, welche von einem Lüfter 57 gepumpt
wird.
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Das
gasförmige
Kohlendioxid, welches nach der Kondensation des Dampfes verbleibt,
verlässt den
Kondensator 80 über
einen Kanal 58 und gelangt in den Kolbenzylinder 59,
wird (wenn der Kondensatordruck unterhalb Atmosphärendruck
ist) auf einen Druck etwas oberhalb Atmosphärendruck verdichtet und wird über einen
Kanal 61 ausgestoßen.
Das komprimierte Kohlendioxid kann in einem Speichertank 62 gespeichert
und in einen festen oder flüssigen
Zustand umgewandelt werden für
periodische Entnahme; oder das Gas kann in die Atmosphäre ausgestoßen werden,
wenn ein solcher Ausstoß erlaubt
ist.
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Es
sei angemerkt, dass dieser Hybridmotor seinen Wasserbedarf nach
Bedarf selbst erzeugt und somit das Gefrierproblem eines Dampf-Rankine-Zyklus
in einer kalten Umgebung (unterhalb Gefrierpunkt) vermeidet. Ferner
erzeugt der Motor seinen Oxidationsmittelbedarf nach Bedarf selbst
und eliminiert somit viele Sicherheitsrisiken, welche die Sauerstoffspeicherung
betreffen.
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Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, welche in 2 illustriert
ist, umfasst einen Hybridmotor, wobei Wasserstoff an Stelle eines Kohlenwasserstoff-Treibstoffs
verwendet wird. Bei der Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff
wird kein Kohlendioxid erzeugt und aus dem Gasgenerator 70 tritt
nur hochreiner Dampf aus. Demgemäß werden
alle kohlendioxidbezogenen Systeme weggelassen, und weitere Änderungen
sind im Wesentlichen nicht erforderlich. Um aber den gleichen Sechszylindermotor
von 1 beizubehalten, tritt der Wasserstoff-Treibstoff
in 2 über
einen Kanal 63 aus dem Treibstoffvorratstank 37 aus,
gelangt in den Kolbenmotorzylinder 59, tritt über einen
Kanal 64 aus, gelangt in den Kolbenmotorzylinder 39,
tritt über
einen Kanal 41 aus und wird dem Gasgenerator 70 zugeführt. Dies
erlaubt zwei Kompressionsstufen für den Wasserstoff niedriger
Dichte.
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Eine
dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, welche in 3 illustriert
ist, weist einen Zweizyklusmotor auf, wobei ein Brayton-Zyklus für das Anfahren
und das Abkühlen
der Luftverflüssigungseinrichtung
(Modus I) verwendet wird und ein Rankine-Zyklus für Teillast-,
Leerlauf- und kontinuierlichen Betrieb (Modus II) verwendet wird.
Um dieses Merkmal einzubeziehen, wird Hochdruckluft von einem Zylinder 13 (Unter-Druck-Setzung
der Luft wie früher
für die
erste Ausführungsform
beschrieben) mittels eines Bypass-Luftkanals 71 abgezapft
und mittels eines Ventils 72 moduliert. Ferner wird Rezirkulationswasser
zu dem Gasgenerator mittels eines Ventils 73 moduliert
zum Kontrollieren der Verbrennungstemperatur des Treibstoffs und
des Sauerstoffs und der Auslasstemperatur des gasförmigen Gemischs,
welches zum Bereitstellen von Leistung für den Zyklus über Kanal 43 zugeführt wird.
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Die
thermodynamischen Zyklen für
diese beiden Betriebsmodi sind in 4 und 5 illustriert.
Das Arbeitsfluid für
Leistungszyklusbetrieb im Modus I besteht aus Dampf, Kohlendioxid
und gasförmiger
Luft. Bei Betrieb im Modus II besteht das Arbeitsfluid (wie bei
der ersten und der zweiten Ausführungsform
erörtert)
aus Dampf und Kohlendioxid bei Verwendung von Kohlenwasserstoff-Treibstoff
und aus Dampf allein bei Verwendung von Wasserstoff.
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Ein
offener Brayton-Zyklus, illustriert in 4, mit zwei
Zwischenkühlungsstufen 74a und 74b für die verdichtete
Luft, wird verwendet, um dem Motor während des Modus I Leistung
bereitzustellen, und initiiert die Abkühlung der Verflüssigungseinrichtung
für den
nachfolgenden Modus II-Betrieb des Rankine-Zyklus mit Regeneration 75,
der in 5 illustriert ist. Es sei angemerkt, dass diese
Ausführungsform
die Notwendigkeit eines Elektromotors, einer Batterie und eines
Alternators beseitigt.
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Eine
vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, illustriert in 6, umfasst
alle Elemente der ersten Ausführungsform
und fügt
zwei Zwischenerhitzer 150 und 160 hinzu, um die
Performance dieses Motors zu verbessern. Es sind zwar zwei Zwischenerhitzer 150, 160 gezeigt,
jedoch kann eine beliebige Anzahl von Zwischenerhitzern verwendet
werden, in Abhängigkeit
von den Anforderungen der jeweiligen spezifischen Anwendung.
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Der
Motor arbeitet wie für
die erste Ausführungsform
beschrieben, jedoch mit folgenden Änderungen. Den Kolbenzylinder 44 verlassende
Heißgase
treten über
einen Kanal 81 aus, gelangen in den Zwischenerhitzer 150,
wo zusätzlicher
leichter Kohlenwasserstoff-Treibstoff und Sauerstoff über Kanäle 88 bzw. 89 eingespritzt
werden. Die Verbrennungswärme
dieser Recktanten innerhalb des Zwischenerhitzers 150 hebt
die Temperatur des hereinkommenden Gases auf das Niveau der Ausgabe
des Gasgenerators 70 an. Das zwischenerhitzte Gas verlässt dann
den Zwischenerhitzer 150 über einen Kanal 82, gelangt
in Kolbenzylinder 46, expandiert und tritt über einen
Kanal 83 aus, um in den Zwischenerhitzer 160 zu
gelangen, wo zusätzlicher
Sauerstoff und Treibstoff injiziert werden. Die Verbrennungswärme dieser Recktanten
innerhalb des Zwischenerhitzers 160 hebt die Temperatur
des hereinkommenden Gases erneut auf das gleiche Niveau wie am Ausgang
des Gasgenerators 70 an. Das erhitzte Gas tritt dann über einen
Kanal 84 aus und gelangt in die dynamische Turbine 48,
wie früher
für die
erste Ausführungsform
beschrieben. Treibstoff für
den Zwischenerhitzer 160 wird über einen Kanal 86 zugeführt. Der Sauerstoff
wird über
einen Kanal 87 zugeführt.
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Eine
fünfte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, illustriert in 7, umfasst
alle Elemente der zweiten Ausführungsform
und fügt
zwei Zwischenerhitzer 150 und 160 hinzu, um die
Performance zu verbessern. Dieser Motor arbeitet wie für die vierte
Ausführungsform
beschrieben, ausgenommen, dass dieser Motor Wasserstoff-Treibstoff
verwendet. Der Rankine-Zyklus dieser Ausführungsformen mit Regeneration
und Zwischenerhitzungen ist in 8 illustriert.
Die Regeneration ist bei 91 bezeichnet und die zwei Zwischenerhitzungen
sind bei 92a und 92b bezeichnet.
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Eine
sechste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, illustriert in 9, ist ähnlich der vierten
Ausführungsform,
welche Zwischenerhitzer aufweist und in 6 illustriert
ist, ausgenommen, dass die gesamte maschinelle Einrichtung aus Kompressoren
und Turbinen vom dynamischen Typ besteht. Diese Art von Maschinen
ist besser geeignet für
höhere
Leistungsniveaus (> 1000
Wellenpferdestärke
(WPS)), wie sie für
Schienen-, Schiffs- oder Standby-Leistungssysteme
benötigt
werden.
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Der
Rankine-Motor besteht aus dynamischen Turbokompressoren 200, 210 und 220,
einer Leistungsübertragung 230,
einem Wärmetauscher 240,
einem Turboexpander 250, einem Rektifikator 260,
einem Gasgenerator 270, einem ersten Zwischenerhitzer 280,
einem zweiten Zwischenerhitzer 290, einem Wassererhitzer 300,
einem Kondensator 310, einer Rezirkulationswasserpumpe 320 und
einem Kondensatorkühlmittelradiator 330.
Der elektrische Motor besteht aus einem Alternator 400,
einer Batterie 410 und einem Elektromotor 420.
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Der
Betrieb des Motors beginnt durch Starten des Elektromotors 420 unter
Verwendung der Batterie 410 als Energiequelle. Der Elektromotor 420 treibt
den dynamischen Kompressor 201 über die Leistungsübertragung 230,
wobei gleichzeitig ein Ventil 202 geöffnet und ein Ventil 203 geschlossen wird.
Dies initiiert den Start des Motors in einem Brayton-Zyklus-Modus.
Mit zunehmender Motordrehzahl wird das Ventil 202 graduell
geschlossen und das Ventil 203 graduell geöffnet, um
langsam in den Rankine-Zyklus-Modus überzugehen und Abkühlung der Verflüssigungseinrichtung
zu erlauben. Während
dieser Übergangsperiode
wird der Elektromotor 420 verwendet, um die geplante Leistung
und Drehzahl aufrechtzuerhalten, bis stationäre Rankine-Zyklus-Bedingungen
erreicht sind.
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Während der
Aktivierung des thermischen Motors tritt Luft über einen Kanal 204 in
den Turbokompressor 201 ein, und ihr Druck wird auf den
Auslegungsausstoßdruck
angehoben. Die Luft tritt dann durch einen Kanal 205 aus,
um in einen Zwischenkühler 206 zu
gelangen, wo die Verbrennungswärme durch
externe Kühlmittel 207 (d.
h. Luft, Wasser, Freon etc.) abgeführt wird. Kondensierter Wasserdampf wird über einen
Ablass 208 abgezogen. Die Luft verlässt den Zwischenkühler 206 über einen
Kanal 209 bei einer Temperatur gleich dem Kompressoreinlass, gelangt
in einen Kompressor 211 und wird auf den Auslegungsausstoßdruck angehoben.
Die Luft tritt dann über
einen Kanal 212 aus, gelangt in einen Zwischenkühler 213 und
wird erneut auf die Einlasstemperatur des Kompressors 201 gekühlt. Dieser
Kompressions-/Abkühlungs-Zyklus
wird wiederholt, während
die Luft über
einen Kanal 214 aus dem Zwischenkühler 213 austritt,
in einen Kompressor 215 eintritt, dann über einen Kanal 216 austritt,
in einen Zwischenkühler 217 eintritt
und durch einen Kanal 218 austritt, um die Unter-Druck-Setzung
des Luft zu vervollständigen.
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Die
Hochdruckluft bei Umgebungstemperatur gelangt sodann in einen Wäscher 219,
wo Gase und Flüssigkeiten,
welche während
des Verflüssigungspro zesses
dem Gefrieren ausgesetzt sind, entfernt werden (d. h. Kohlendioxid,
Wasserdampf und Öl).
Kohlendioxid tritt über
einen Kanal 221a aus und wird prozessiert und in einem
Reservoir 221b gespeichert. Öl wird über einen Kanal 222a abgelassen
und in einem Reservoir 222b gespeichert. Wasserdampf wird über einen
Kanal 223 abgeleitet und über Bord abgelassen.
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Die
trockene Luft tritt dann über
einen Kanal 224 aus und gelangt in den Wärmetauscher 240,
wo die Luft durch rückgeführten gasförmigen Stickstoff gekühlt wird.
Sie tritt dann über
einen Kanal 225 aus und gelangt in einen Turboexpander 226,
wo die Lufttemperatur weiter reduziert wird auf einen Wert nahe Flüssiglufttemperatur,
bevor sie über
einen Kanal 227 aus- und in den Rektifikator 260 eintritt.
Die Luft verlässt
den Rektifikator-Wärmetauscher 228 über einen
Kanal 229 bei Flüssiglufttemperatur
und gelangt in die unteren Säulenböden des
Rektifikators, wo die Sauerstoff/Stickstoff-Trennung initiiert wird. Eine
Flüssigkeit
mit ca. 40% Sauerstoff tritt über
einen Kanal 231 aus und gelangt in die obere Rektifikatorsäule, wo
eine höherprozentige
Sauerstoffkonzentration erzeugt wird. Flüssiger Stickstoff bei 96% Reinheit
wird von der unteren Rektifikatorsäule zu der oberen Säule mittels
eines Kanals 232 rezirkuliert. Gasförmiger Stickstoff bei 99% Reinheit
(1% Argon) tritt über
einen Kanal 233 aus und gelangt in den Wärmetauscher 240,
wo Kühlung
der hereinkommenden Luft durchgeführt wird, bevor sie über einen Kanal 234 bei
einer Temperatur und einem Druck nahe Umgebungstemperatur und -druck
in die Atmosphäre
ausgestoßen
wird. Gasförmiger
Sauerstoff oder flüssiger
Sauerstoff bei 95% Reinheit (5% Argon) tritt über einen Kanal 235 aus
und gelangt in den Turboexpanderkompressor 236, wo der
Sauerstoff auf den Auslegungsdruck druckbeaufschlagt wird. Der Hochdrucksauerstoff
tritt dann über
einen Kanal 237 aus und gelangt über einen Kanal 238 in
den Gasgenerator 270.
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Treibstoff,
d. h. Methan, Propan, gereinigtes Erdgas und leichte Alkohole wie
Methanol und Ethanol, verlässt
den Treibstoffvorratstank 239 über einen Kanal 241 und
gelangt in den Kompressor 242 des Turboexpanders 250,
wo er auf den Auslegungsausstoßdruck
angehoben wird. Der unter Druck gesetzte Treibstoff tritt dann über einen
Kanal 243 aus und gelangt über einen Kanal 244 in
den Gasgenerator 270, wo er mit dem hereinkommenden Sauerstoff in
stöchiometrischem
Mischungsverhältnis
gemischt wird, um vollständige
Verbrennung und maximale Heißgastemperatur
(ca. 6500°R)
zu erzielen. Die Verbrennungsprodukte dieser Recktanten resultieren
in einem hochreinen Dampf, Kohlendioxidgas und einer kleinen Menge
an gasförmigem
Argon (4%).
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Nach
der vollständigen
Verbrennung der Hochtemperaturgase wird Rezirkulationswasser in den
Gasgenerator über
eine Leitung 245 eingespritzt, wodurch die Hochtemperaturgase
verdünnt werden
auf ein Antriebsgas mit einer niedrigeren Temperatur, die für die dynamische
Turbine 247 akzeptabel ist (ca. 2000°R). Das Antriebsgas verlässt dann
den Gasgenerator 270 über
einen Kanal 246 und tritt in die Turbine 247 des
Turbokompressors 220 ein, wo das Gas expandiert und Leistung
für den Luftkompressor 215 und
den Kohlendioxidkompressor 273 bereitstellt. Das Gas tritt
dann über
einen Kanal 248 aus und gelangt in den Zwischenerhitzer 280, wo
die infolge der Arbeit der Turbine 247 entzogene Wärme wieder
zugeführt
wird. Diese Wärme
ist abgeleitet von der Verbrennung von Treibstoff und Sauerstoff,
die dem Zwischenerhitzer 280 über einen Kanal 249 bzw. über einen
Kanal 251 zugegeben werden.
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Das
zwischenerhitzte Gas tritt dann über
einen Kanal 252 aus und gelangt in die Turbine 253 des
Turbokompressors 210, wo es auf einen niedrigeren Druck
expandiert. Die von diesen expandierenden Gasen erzeugte Leistung
treibt den Alternator 400 und den Kompressor 211;
sodann werden die Gase über
einen Kanal 254 abgeführt
und gelangen in den Zwischenerhitzer 290. Die den Gasen
entzogene, in der Turbinenarbeit resultierende Wärme wird durch die Verbrennungswärme wieder
zugeführt,
die aus dem Treibstoff und Sauerstoff stammt, welche über einen
Kanal 255 bzw. einen Kanal 256 hinzugefügt werden.
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Das
zwischenerhitzte Gas tritt dann über
einen Kanal 257 aus, gelangt in die Turbine 258 des Turbokompressors 200 und
treibt den Kompressor 201 und die Leistungsübertragung 230.
Das Turbinenabgas tritt dann über
einen Kanal 259 aus und gelangt in den Wasserheizer 300,
wo die Restwärme des
Abgases der Turbine 258 verwendet wird, um das Wasser vorzuwärmen, welches
zu dem Gasgenerator 270 rezirkuliert wird. Das Gas tritt
dann über einen
Ka nal 261 aus, gelangt bei einem Druck nahe oder unterhalb
Atmosphärendruck
in den Kondensator 310, wo Kondensation des Dampfes zu
Wasser und Abtrennung des Kohlendioxidgases stattfindet.
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Das
kondensierte Wasser tritt über
eine Leitung 262 aus, gelangt in die Pumpe 263,
wo der Druck auf das Zuführungsniveau
des Gasgenerators 270 angehoben wird. Ein größerer Teil
des Ausstoßwassers
von der Pumpe 263 tritt über eine Leitung 264 aus,
gelangt in den Wasserheizer 300, wo Wärme aus dem Turbinenabgas absorbiert
wird, und tritt dann über
eine Leitung 245 aus, um dem Gasgenerator 270 zugeführt zu werden.
Das restliche Wasser vom Ausstoß der
Pumpe 263 tritt über
eine Leitung 265 aus und wird durch Düsen 266 in den Radiator 330 eingespritzt
zwecks Verdampfungskühlung. Kühlmittel
für das
Kondensatorgas wird mittels einer Pumpe 267 über eine
Leitung 268 zu dem Radiator 330 rezirkuliert,
wo Wärme
an die Umgebungsluft abgeführt
wird, welche von einem Lüfter 269 gepumpt wird.
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Das
gasförmige
Kohlendioxid, welches nach der Kondensation des Dampfes verbleibt,
tritt über
einen Kanal 271 aus und gelangt in den Kompressor 273 des
Turbokompressors 220 und wird auf einen Druck etwas oberhalb
Atmosphärendruck
verdichtet (wenn der Kondensatordruck unterhalb Atmosphärendruck
ist) und über
einen Kanal 274 in einen Speichertank 275 abgegeben.
Das komprimierte Kohlendioxid kann in einen flüssigen oder festen Zustand umgewandelt
werden für
periodische Entnahme; alternativ kann das Gas in die Atmosphäre ausgestoßen werden,
wenn dies nach den örtlichen
Umweltgesetzen zulässig
ist.
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Die
siebte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, illustriert in 10, umfasst
das Verflüssigungssystem
der früheren
Ausführungsformen, verwendet
jedoch den intermittenten, aber spontanen Verbrennungsprozess des
Otto-Zyklus als
die Wärmekraftmaschine.
Diese Ausführungsform
eliminiert die Notwendigkeit des Dampfkondensators und des Rezirkulationswassersystems.
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Die
Otto-Zyklus-Dampf- oder -Dampf/CO2-Wärmekraftmaschine umfasst zusätzlich dem
früher
beschriebenen Verflüssigungssystem einen
Vormischer 430, wo Sauerstoff aus Kanal 35, Treibstoff
aus Kanal 41 und rezirkulierender Dampf oder Dampf/CO2
aus einem Kanal 301 in einem ungefähren Verhältnis von 20 Gew.%, 5 Gew.%
bzw. 75 Gew.% vorgemischt werden. Diese vorgemischten Gase werden
dann über
einen Kanal 303 und Kanäle 304 auf
die hin- und hergehenden Kolben 302 gerichtet, wo sie komprimiert
und mit einem Funkenzündsystem
gezündet
werden, welches identisch ist mit dem in derzeitigen Otto-Zyklus-Motoren
verwendeten. Nach dem Leistungstakt werden der Dampf oder die Dampf/CO2-Gase
durch Kanäle 305, 306 und dann
in den Kanal 47 zu der dynamischen Turbine 48 ausgestoßen. Ein
Teil der Ausstoßgase
wird über
einen Kanal 301 zu dem Vormischer 430 zurückgeleitet.
Die Abgase von der dynamischen Turbine 48 werden dann über einen
Kanal 307 in die Atmosphäre ausgestoßen.
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Die
achte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, illustriert in 11, ist ähnlich der
siebten Ausführungsform,
ausgenommen, dass ein Diesel-Leistungszyklus verwendet wird. In
diesem System mischt ein Vormischer 440 den Sauerstoff
aus Kanal 35 mit Dampf oder Dampf/CO2 aus einem Kanal 308 in
einem ungefähren
Mischungsverhältnis von
23 Gew.% bzw. 77 Gew.%, und stößt die gasförmige Mischung über einen
Kanal 311 und Kanäle 312 zu
den hin- und hergehenden Kolben 309 aus, wo die Mischung
auf eine hohe Vorzündtemperatur
komprimiert wird. Der Hochdruck-Treibstoff, der etwa 5% des Gesamtgewichts
der Gasmischung in dem Kolbenzylinder ausmacht, wird über Kanäle 313 eingespritzt
und verbrennt bei annähernd
konstantem Druck. Falls erforderlich, ist eine Zündvorrichtung innerhalb des
Verbrennungszylinders angeordnet. Die heißen Gase expandieren dann rasch,
wenn der Kolben sich zum unteren Punkt seines Leistungstaktes bewegt.
Die Dampf/CO2-Gase werden dann in Kanäle 313 ausgestoßen und über Kanal 47 der
dynamischen Turbine 48 zugeführt. Ein Teil der ausgestoßenen Gase
wird über
den Kanal 308 zu dem Vormischer 440 abgezweigt.
Die Abgase von der dynamischen Turbine 48 werden dann über einen
Kanal 307 in die Atmosphäre ausgestoßen.
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12 zeigt
einen grundlegenden Niedrigemissionsmotor 500, der konzeptionell
zahlreiche der oben beschriebenen ersten acht Ausführungsformen in
einer mehr vereinfachten Form repräsentiert. 12 zeigt
eher Schritte in dem Gesamt-Leistungsproduktions-Zyklus, als dass
sie spezifische maschinelle Einrichtungen identifiziert. Ferner
ersetzt der Motor 500 von 12 den
Rektifi kator und andere Verflüssigungseinrichtungen
der Ausführungsformen 1–8 mit einer
generalisierteren Lufttrennanlage 530. Details mehrerer
verschiedener Ausführungsformen dieser
Lufttrennanlage 530 sind in den 15 und 16 gezeigt
und im Folgenden ausführlich
beschrieben.
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Der
grundlegende Niedrigemissionsmotor 500 arbeitet auf folgende
Weise. Luft aus einer umliegenden Umgebung tritt über einen
Lufteinlass 510 in einen Luftkompressor 520 ein.
Der Luftkompressor 520 hebt die durch den Lufteinlass 510 eintretende Luft
an und richtet die komprimierte Luft auf die Lufttrennanlage 530.
Die Lufttrennanlage 530 kann mehrere verschiedene Lufttrenntechniken
verwenden, so dass angereicherte Stickstoffgase die Lufttrennanlage 530 über einen
angereicherten Stickstoffgasauslass 532 verlassen und angereicherte
Sauerstoffgase die Lufttrennanlage 530 durch einen angereicherten
Sauerstoffgasauslass 534 verlassen. Der angereicherte Stickstoffgasauslass 532 führt typischerweise
zurück
in die umliegende Umgebung. Der angereicherte Sauerstoffgasauslass 534 führt zu der
Verbrennungsvorrichtung 550.
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In
der Verbrennungsvorrichtung 550 werden die angereicherten
Sauerstoffgase aus der Lufttrennanlage 530 mit dem Wasserstoff-haltigen
Treibstoff von einem Treibstoffvorrat 540 kombiniert und
die Verbrennung innerhalb der Verbrennungsvorrichtung 550 eingeleitet.
Ein Wasser- oder Kohlendioxid-Verdünnungsmittel wird in die Verbrennungsvorrichtung zugegeben,
um eine Temperatur der Verbrennungsprodukte innerhalb der Verbrennungsvorrichtung 550 zu
erniedrigen und eine Massenflussrate für ein aus der Verbrennungsvorrichtung 550 austretendes Dampf-
oder Dampf- und Kohlendioxid-Arbeitsfluid zu
erhöhen.
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Dieses
Arbeitsfluid wird dann in einen Expander 560 geleitet,
z. B. eine Turbine. Die Turbine ist über eine Leistungstransferkupplung 562 mit
dem Luftkompressor 520 gekoppelt, um den Luftkompressor 520 anzutreiben. 12 zeigt
eine Rotationswelle als ein Typ von mechanischer Leistungstransferkupplung 562.
Ein anderer Weg, dem Luftkompressor 520 Leistung bereitzustellen,
besteht in der Erzeugung von Elektrizität mittels des Leistungsabsorbers 570 und
Verwendung eines Teils der erzeugten Elektrizität, um einen Elektromotor anzutreiben,
der seinerseits dem Luftkompressor 520 Leistung bereitstellt.
Der Expander 560 ist ferner über eine Leistungstransferkupplung 564 mit
einem Leistungsabsorber 570, z. B. einem elektrischen Generator,
oder einer Leistungsübertragung
für ein
Fahrzeug gekoppelt. Der Expander 560 ist ferner über eine
Leistungstransferkupplung 566 mit der Lufttrennanlage 530 gekoppelt,
um maschinelle Einrichtungen innerhalb der Lufttrennanlage 530 anzutreiben.
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Das
Arbeitsfluid wird dann aus dem Expander 560 durch einen
Ablass 572 ausgestoßen.
Der Ablass 572 führt
zu einem Kondensator 580. Der Kondensator weist ein Kühlmittel
auf, welches einen Kühlmittelströmungspfad 592 durchströmt, wodurch bewirkt
wird, dass Wasseranteile des in den Kondensator 580 eintretenden
Arbeitsfluids kondensiert werden. Ein Wasser- und Kohlendioxidauslass 590 ist bereitgestellt
für überschüssiges Wasser
oder Wasser- und
Kohlendioxidgemisch aus dem Kondensator. Ferner ist ein Wasser-
oder Wasser- und Kohlendioxid-Verdünnungsmittelpfad aus dem Kondensator 580 heraus
bereitgestellt zum Rückführen von
Wasser- oder Wasser- und Kohlendioxid-Verdünnungsmittel zu der Verbrennungsvorrichtung 550.
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Es
wird leicht erkennbar sein, dass der Luftkompressor 520 im
Wesentlichen analog zu dem Turbokompressor 10 der ersten
Ausführungsform
ist. Die Lufttrennanlage 530 ist im Wesentlichen analog zu
dem Rektifikator 60 der ersten Ausführungsform. Der Treibstoffvorrat 540 ist
im Wesentlichen analog zu dem Treibstoffvorratstank 37 der
ersten Ausführungsform.
Die Verbrennungsvorrichtung 550 ist im Wesentlichen analog
zu dem Gasgenerator 70 der ersten Ausführungsform. Der Expander 560 ist
im Wesentlichen analog zu den Kolbenzylindern 44, 46 des
Kolbenmotors 20 der ersten Ausführungsform. Der Leistungsabsorber 570 ist
im Wesentlichen analog zu der Leistungsübertragung 30 der
ersten Ausführungsform,
und der Kondensator 580 ist im Wesentlichen analog zu dem
Kondensator 80 der ersten Ausführungsform. Somit stellt die
schematische Darstellung des grundlegenden Niedrigemissionsmotors von 12,
repräsentiert
durch die Bezugsziffer 500, nur eine Gesamtabbildung des
Leistungsproduktionszyklus der vorliegenden Erfindung bereit. Während eine
spezifische Analogie zwischen diesem grundlegenden Niedrigemissionsmotor 500 und
der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform gezo gen wurde, können ähnliche
Analogien zu den anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gezogen werden.
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Insbesondere
unter Bezugnahme auf 13 werden Details eines grundlegenden
Niedrigemissionsmotors 600 mit Regeneration bereitgestellt.
Der in 13 dargestellte Niedrigemissionsmotor 600 mit
Regeneration ist identisch mit dem grundlegenden Niedrigemissionsmotor 500 von 12,
ausgenommen, dass die Handhabung des Arbeitsfluids nach Ausstoß aus dem
Expander 660 so verändert wurde,
dass Regeneration umfasst ist. Insbesondere umfasst der Niedrigemissionsmotor 600 mit
Regeneration einen Lufteinlass 610, einen Luftkompressor 620,
eine Lufttrennanlage 630, einen Treibstoffvorrat 640,
eine Verbrennungsvorrichtung 650, einen Expander 660 und
einen Leistungsabsorber 670, welche ähnlich angeordnet sind wie
die Komponenten 510, 520, 530, 540, 550, 560, 570 des
in 12 gezeigten grundlegenden Niedrigemissionsmotors 500.
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Im
Gegensatz dazu leitet der Niedrigemissionsmotor 600 mit
Regeneration das Arbeitsfluid durch einen Ablass 672, der
zu einem Regenerator 674 führt. Das Arbeitsfluid verlässt den
Regenerator 674 über
einen Regeneratorauslass 676. Der Regeneratorauslass 676 führt zu einem
Kondensator 680. Innerhalb des Kondensators 680 wird
das Arbeitsfluid durch die Wirkung eines entlang einem Kühlmittelströmungspfad 682 fließenden Kühlmittels
gekühlt, um
in Kohlendioxid und Wasser getrennt zu werden. Das Kohlendioxid
verlässt
den Kondensator 680 durch einen Kohlendioxidauslass 684,
und das Wasser verlässt
den Kondensator 680 durch den Wasserauslass 686.
Der Wasserauslass 686 führt
zu einer Speisewasserpumpe 688. Überschüssiges Wasser wird an einem
Wasserüberschussauslass 690 aus dem
Motor 600 ausgestoßen.
Andere Teile des Wassers werden entlang einem Regeneratorwasserströmungspfad 692 durch
den Regenerator 674 geleitet, wo das Wasser vorgewärmt wird.
Das Wasser oder der Dampf verlässt
den Regenerator 674 entlang einem Wasser-Verdünnungsmittelpfad 694,
der zu der Verbrennungsvorrichtung 650 zurückführt.
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Der
Kohlendioxidauslass 684 von dem Kondensator 680 führt ebenfalls
in den Regenerator 674 zum Vorwärmen des Kohlendioxids. Das
Kohlendioxid verlässt
den Regenerator entlang einem Regenerator-Kohlendioxidstrom 696,
der zu einem Kohlendioxid-Kompressor 697 führt. Der
Kohlendioxid-Kompressor 697 wiederum führt zu einem Kohlendioxidüberschussauslass 698,
wo überschüssiges Kohlendioxid
aus dem Motor 600 entfernt wird. Falls gewünscht, kann
ein Teil des Kohlendioxids entlang einem Kohlendioxid-Verdünnungsmittelpfad 699 zu
der Verbrennungsvorrichtung 650 zurückgeleitet werden zur Verwendung
als ein Verdünnungsmittel
innerhalb der Verbrennungsvorrichtung 650.
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Unter
besonderer Bezugnahme auf 14 wird
ein grundlegender Niedrigemissionsmotor 700 mit "Bottoming"-Zyklus bereitgestellt.
Wie bei dem Niedrigemissionsmotor 600 mit Regeneration
von 13 sind Teile des Niedrigemissionsmotors 700 mit "Bottoming"-Zyklus ähnlich zu
dem grundlegenden Niedrigemissionsmotor 500 von 12 bis
zum Ausstoß des
Arbeitsfluids aus dem Expander 560. Der Niedrigemissionsmotor 700 mit "Bottoming"-Zyklus umfasst also
einen Lufteinlass 710, einen Luftkompressor 720,
eine Lufttrennanlage 730, einen Treibstoffvorrat 740,
eine Verbrennungsvorrichtung 750, einen Expander 760 und
einen Leistungsabsorber 770, welche korrespondierende Komponenten
in dem Motor 500 von 12 haben.
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Das
Arbeitsfluid wird aus dem Expander 760 über einen Ablass 772 ausgestoßen, der
zu einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger
("Heat Recovery
Steam Generator" (HRSG))/Kondensator 774 führt. Das
Arbeitsfluid wird kondensiert, wobei ein Wasserauslass 775 Wasser
aus dem Kondensator 774 leitet und ein Kohlendioxidauslass 776 Kohlendioxid
aus dem Kondensator 774 leitet. Der Kohlendioxidauslass 776 führt zu einem
Kohlendioxidkompressor 777, einem Kohlendioxidüberschussauslass 778 und
einem Kohlendioxid-Verdünnungsmittelpfad 779, der
zu der Verbrennungsvorrichtung 750 zurückführt.
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Der
Wasserauslass 775 führt
zu einer Speisewasserpumpe 780, die ihrerseits zu einem
Wasserüberschussauslass 781 und
einem Wasserregenerationspfad 782 führt, wo das Wasser innerhalb
eines "Bottoming"-Regenerators 787 regeneriert
wird. Das Wasser verlässt
den "Bottoming"-Regenerator 787 entlang
einem Wasser-Verdünnungsmittelpfad 783, der
zu der Verbrennungsvorrichtung 750 zurückführt.
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Der
HRSG/Kondensator 774 und der Regenerator 787 werden
von einem "Bottoming"-Zyklus angetrieben,
umfassend einen "Bottoming"-Zyklus-Kessel 784,
der in dem "Bottoming"-Zyklus Wasser aus
dem über
den Ablass 772 ausgestoßenen und in den HRSG/Kondensator 774 eintretenden
Arbeitsfluid zum Sieden bringt. Ferner umfasst der "Topping"-Zyklus eine "Bottoming"-Turbine 786 und einen "Bottoming"-Regenerator 787,
der den die Dampfturbine 786 verlassenden Dampf kühlt und
in den Wasser-Verdünnungsmittelpfad 783 eintretendes
Wasser erwärmt.
Ferner umfasst der "Bottoming"-Zyklus einen "Bottoming"-Kondensator 788, der
gekühlt
wird von einem Kühlmittel
innerhalb einer Kühlmittelleitung 789.
Somit strömt
das Arbeitsfluid, z. B. Wasser, innerhalb des "Bottoming"-Zyklus von dem Kondensator 788 zu
dem Kessel 784, wo das Arbeitsfluid erhitzt und in ein
Gas umgewandelt wird. Es sei angemerkt, dass der HRSG/Kondensator 774 und
der Kessel 784 zusammenintegriert sind, dass aber nur Wärmetausch,
kein Mischen erlaubt ist. Das "Bottoming"-Zyklus-Arbeitsfluid
durchströmt
dann die Turbine 786 zur Produktion von Leistung, welche
auf den Leistungsabsorber 770 oder andere Komponenten des
Niedrigemissionsmotors 700 mit "Bottoming"-Zyklus gerichtet werden kann. Das Arbeitsfluid tritt
dann aus der Turbine 786 aus und wird in dem Regenerator 787 gekühlt, bevor
es zu dem Kondensator 788 zurückkehrt.
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Die
Lufttrennanlagen 530, 630, 730 von 12–14 können eine
beliebige aus einer Vielfalt von verschiedenen Vorrichtungen oder
Systemen sein, welche in der Lage sind, mindestens einen Teil des
Stickstoffs aus der Luft zu entfernen. Beispielsweise und wie im
Vorstehenden in Bezug auf die erste bis achte Ausführungsform
von 1–11 spezifisch
erörtert,
kann die Lufttrennanlage 530, 630, 730 einen
Rektifikator, z. B. den Rektifikator 60 von 1,
oder eine andere Verflüssigungseinrichtung, welche
Stickstoff von der Luft durch Verflüssigung abtrennt, umfassen.
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Jedoch
sind Verflüssigungsprozesse
nicht die einzigen Prozesse, die mindestens einen Teil des Stickstoffs
aus der Luft abtrennen können.
Es stehen mehrere andere Prozesse zur Verfügung, um dieses Ziel zu erreichen.
Diese Prozesse, welche im Folgenden ausführlich beschrieben werden,
können
an die Stelle des im Vorstehenden ausführlich beschriebenen kryogenen
Verflüssi gungsprozesses
treten. Eine alternative Technik, welche zur Verwendung in der Lufttrennanlage 530, 630, 730 zur
Verfügung
steht, ist eine Druckwechseladsorptionsanlage 800 (15).
Der Druckwechseladsorptionsprozess, auch Vakuumdruckwechseladsorptionsprozess
genannt, verwendet Materialien, welche zur Adsorption und Desorption
von Sauerstoff oder Stickstoff befähigt sind, so z. B. synthetische
Zeolithe. Der Vakuumdruckwechseladsorptionsprozess kann verwendet werden,
um Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft abzutrennen.
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Der
Prozess verwendet typischerweise zwei Betten, die Druckwechsel von
oberhalb Atmosphärendruck
bis unterhalb Atmosphärendruck
durchlaufen. Jedes Bett zykliert sequentiell von Adsorption zu Desorption
und Regeneration und wieder zurück
zu Adsorption. Die zwei Betten werden in versetzter Anordnung betrieben,
wobei ein Bett sich in der Adsorptionsphase befindet, während das
andere Bett regeneriert wird. Somit erzeugen die Betten abwechselnd ein
gasförmiges
Produkt mit hohem Sauerstoffgehalt. Mit diesem Prozess kann eine
gasförmige
Mischung mit einem breiten Spektrum an Sauerstoffreinheiten erzeugt
werden. Beispielsweise werden Sauerstoffreinheiten im Bereich von
90% bis 94% in vielen industriellen Anwendungen verwendet und können erfolgreich
mit kommerziell verfügbaren
Vakuumdruckwechseladsorptionsprozessen erzielt werden, z. B. mit
denjenigen der Firma Praxair, Inc., mit internationalem Hauptsitz
in 39 Old Ridgebury Road, Danbury, Connecticut 06810-5113.
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Mit
besonderer Bezugnahme auf 15 ist eine
Anordnung einer typischen Druckwechseladsorptionsanlage 800 gezeigt.
Zunächst
sind der Lufteinlass 510 und Feed-Kompressor 520 bereitgestellt, analog
zu dem Lufteinlass 510 und dem Luftkompressor 520 der
schematischen Darstellung des grundlegenden Niedrigemissionsmotor 500 von 12.
Vorzugsweise ist ein Filter 515 zwischen den Lufteinlass
und den Feed-Kompressor geschaltet, um Partikel aus dem Lufteinlassstrom
herauszufiltern. Die von dem Feed-Kompressor 520 ausgestoßene komprimierte
Luft wird auf eine erste Einlassleitung 810 gerichtet,
welche durch ein erstes Einlassleitungsventil 815 und in
ein erstes Gehäuse 820 geführt wird.
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Das
erste Gehäuse 820 ist
mit einem geeigneten Material versehen, welches zur Adsorption und Desorption
von Sauerstoff oder Stickstoff befähigt ist. Ein Material, welches
in diesen Anwendungen eingesetzt wird, sind Zeolithe. Das erste
Gehäuse 820 stellt
zwei Auslässe
bereit, umfassend einen ersten Sauerstoffauslass 830, der über ein
erstes Ventil 832 an das erste Gehäuse 820 gekoppelt
ist, und einen ersten Stickstoffauslass 835, der über ein
erstes Stickstoffventil 836 an das erste Gehäuse 820 gekoppelt
ist. Der erste Stickstoffauslass 835 führt zu einem Stickstoffkompressor 837,
der die Gase in dem ersten Stickstoffauslass 835 wieder
auf Atmosphärendruck
anhebt, um sie über
einen Stickstoffablass 839 auszustoßen. In der Tat enthalten der
erste Stickstoffauslass 835 und der erste Sauerstoffauslass 830 keinen
reinen Sauerstoff oder Stickstoff, sondern nur Gase, die in ihrem
Sauerstoff- oder Stickstoffgehalt angereichert sind.
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Der
erste Sauerstoffauslass 830 führt zu einem Puffertank 870 mit
einem Ventil 875 hinter dem Puffertank 870, welches
zu einer Sauerstoffzuführungsleitung 880 führt. Parallel
zu dem ersten Gehäuse 820 ist
ein zweites Gehäuse 850 bereitgestellt. Das
zweite Gehäuse 850 ist
in ähnlicher
Weise mit einem geeigneten Material beladen, welches zur Adsorption
und Desorption von Sauerstoff oder Stickstoff befähigt ist.
Eine zweite Einlassleitung 840 führt von dem Feed-Kompressor 520 durch
ein zweites Einlassleitungsventil 845 in das zweite Gehäuse 850. Ein
zweiter Sauerstoffauslass 860 führt aus dem zweiten Gehäuse 850 heraus
und weiter, über
ein zweites Sauerstoffauslassventil 862, zu dem Puffertank 870.
Ferner führt
ein zweiter Stickstoffauslass 865 aus dem zweiten Gehäuse 850 heraus, über ein zweites
Stickstoffauslassventil 866 und weiter zu dem Kompressor 837.
Eine Zykluskontrolleinrichtung 890 kontrolliert das Öffnen und
Schließen
der verschiedenen Ventile 815, 832, 836, 845, 862, 866 und 875.
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Ein
typischer Arbeitsablauf der Druckwechseladsorptionsanlage 800 stellt
sich wie folgt dar. Zunächst
sind alle Ventile geschlossen, ausgenommen das erste Stickstoffventil 836,
und der Stickstoffkompressor 837 wird verwendet, um den
Druck in dem ersten Gehäuse 820 auf
einen Druck unterhalb Atmosphärendruck
zu reduzieren. Sodann wird das erste Stickstoffventil 836 geschlossen.
Als nächstes
wird das erste Einlassventil 815 geöffnet. Mit dem ersten Einlassleitungsventil 815 im
geöffneten
und allen anderen Ventilen im geschlossenen Zustand richtet der Feed-Kompressor
Luft in das erste Gehäuse 820.
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Mit
Druckaufbau innerhalb des ersten Gehäuses 820 wird das
Material innerhalb des ersten Gehäuses 820 veranlasst,
unterschiedliche Moleküle in
der Luft in einer selektiven Weise zu adsorbieren. Beispielsweise
kann das Material so gewählt
sein, dass es Stickstoff bei erhöhtem
Druck adsorbiert. Bei vermindertem Druck kehrt sich der Adsorptionseffekt in
Desorption um.
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Im
Wesentlichen: wenn das Material Stickstoff bei Drücken oberhalb
Atmosphärendruck
adsorbiert und Stickstoff bei Drücken
unterhalb Atmosphärendruck
desorbiert, so werden die verschiedenen Ventile 815, 832, 836 und 875 sequentiell
so betrieben, dass das erste Gehäuse 820 einen
erhöhten Druck
aufweist und Stickstoff adsorbiert, bevor die verbleibende, mit
Sauerstoff angereicherte Luft entlang dem ersten Sauerstoffauslass 830 frei
aus dem ersten Gehäuse 820 herausströmen gelassen
wird. Wenn das Sauerstoff-Gehäuse 820 einen
Druck unterhalb Atmosphärendruck
aufweist, dann desorbiert das Material innerhalb des ersten Gehäuses 820 den Stickstoff,
während
das erste Stickstoffventil 836 geöffnet ist. Auf diese Weise
wird dann, wenn Stickstoff adsorbiert wird, die innerhalb des ersten
Gehäuses 820 verbleibende
Luft mit Sauerstoff angereichert und auf den ersten Sauerstoffauslass 830 gerichtet, während dann,
wenn das Material innerhalb des ersten Gehäuses 820 den Stickstoff
desorbiert, die mit Stickstoff angereicherten Gase innerhalb des
ersten Gehäuses 820 in
den ersten Stickstoffauslass 835 und zu dem Stickstoffablass 839 fließen gelassen werden.
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Das
Zeolith-Material innerhalb des Gehäuses 820 profitiert
von einer gewissen Verweilzeit, um so viel Stickstoff (oder Sauerstoff)
zu adsorbieren wie gewünscht.
Während
dieser Zeit strömen
keine sauerstoffreichen oder stickstoffreichen Gase zu der Sauerstoffzuführungsleitung 880 oder
zu dem Stickstoffablass 839. Es ist also vorteilhaft, ein
zweites Gehäuse 850 ähnlich zu
dem ersten Gehäuse 820 zu verwenden,
während
die Ventile 815, 832 und 836 alle geschlossen
sind und das Zeolith-Material in dem ersten Gehäuse 820 Stickstoff
(oder Sauerstoff) adsorbiert.
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Insbesondere
werden die Ventile 845, 862 und 866 sequentiell
geöffnet
und geschlossen, um das zweite Gehäuse 850 zu veranlassen,
in einer Weise ähnlich
der im Vorstehenden unter Bezugnahme auf das erste Gehäuse 820 beschriebenen
zu arbeiten. Wenn das Material innerhalb des zweiten Gehäuses 850 Stickstoff
(oder Sauerstoff) adsorbiert, wird der Prozess umgekehrt, so dass
das erste Gehäuse 820,
dessen Zeolith-Material geeignet desorbiert worden ist, wieder online
gebracht wird, um das abwechselnde Einsatzmuster zwischen dem ersten Gehäuse 820 und
dem zweiten Gehäuse 850 zu
wiederholen. Es sollte erkennbar sein, dass neben dem ersten Gehäuse 820 und
dem zweiten Gehäuse 850 zusätzliche
Gehäuse
verwendet werden könnten, wenn
das adsorbierende Material mehr Verweilzeit benötigt oder um den Gesamtausstoß an sauerstoffangereicherten
Gasen aus der Luft zu erhöhen.
Das Material innerhalb des ersten Gehäuses 820, welches
den Sauerstoff oder Stickstoff adsorbiert und desorbiert, tendiert
dazu, seine Wirksamkeit mit der Zeit zu verlieren. Das Material
kann, wenn es in Form eines synthetischen Zeolithen vorliegt, durch
die Anwendung von Wärme
oder anderen Regenerationsmitteln regeneriert werden. Wenn also
das Material innerhalb des ersten Gehäuses 820 seine Wirksamkeit
zu verlieren beginnt, kann eine derartige Wärmebehandlung durchgeführt oder
das Zeolithmaterial ersetzt werden. Sollte das adsorbierende Material
so ausgebildet sein, dass es Sauerstoff statt Stickstoff adsorbiert
und desorbiert, so würde
die oben beschriebene Arbeitsweise der Druckwechseladsorptionsanlage 800 angepasst,
um die gewünschte
Abtrennung von Sauerstoff von Stickstoff bereitzustellen.
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Unter
besonderer Bezugnahme auf 16 werden
Details einer alternativen Vorrichtung und eines Systems zur Verwendung
innerhalb der Lufttrennanlagen 530, 630, 730 bereitgestellt.
Bei solchen Membran-basierten Trennsystemen 900 wird die
Auftrennung von Luft in ihre Komponenten erzielt durch Passage eines
Luft-Feed-Stroms unter Druck über
eine Membran. Der Druckgradient über die
Membran veranlasst die durchlässigste
Komponente, die Membran rascher zu passieren als andere Komponenten,
wodurch ein Produktstrom erzeugt wird, der mit dieser Komponente
angereichert ist, während
der Feed-Strom an dieser Komponente verarmt ist.
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Der
Transport der Luft durch eine Membran kann verschiedenen physikalischen
Prozessen folgen. Als Beispiele für diese Prozesse seien genannt: 1)
die auf der Knudsen-Strömung
beruhende Trennung, welche auf Molekulargewichtsunterschieden zwischen
den Gasen beruht; 2) die Trennung mittels ultramikroporöser Molekularsiebe;
und 3) die auf dem Lösungs-Diffusions-Mechanismus beruhende Trennung,
welche sowohl auf Löslichkeits-
als auch auf Mobilitätsfaktoren
basiert. Im Falle eines Lösungs-Diffusions-Prozesses
löst sich
die Luft zuerst in einem Polymer, diffundiert dann durch dessen
Dicke und tritt in dampfförmigem
Zustand auf der anderen Seite in den Produktstrom aus.
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Es
stehen diverse Typen von Membranen für diesen Prozess zur Verfügung, von
denen jede spezifische Vorteile in bestimmten Situationen aufweist. Beispielsweise
zeigen Cellulosacetatmembranen gute Trennfaktoren für Sauerstoff
und Stickstoff, haben aber niedrige Fluxraten. Dünnfilm-Kompositmembranen, platziert über mikroporöses Polysulfon, zeigen
niedrigere Trennfaktoren als Celluloseacetat, haben aber einen höheren Flux
bei gleicher Druckdifferenz. Das Wiederholen des Prozesses in einer
seriengeschalteten Konfiguration kann die Sauerstoffkonzentration
in dem Produktstrom erhöhen.
Beispielsweise kann eine industrielle Membran in zwei Durchgängen den
Sauerstoffgehalt von Luft auf ca. 50% anreichern.
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Die
oben beschriebenen Membranprozesse arbeiten bei einer Temperatur,
die nahe der Umgebungstemperatur ist. Eine Temperatur, die höher ist als
Umgebungstemperatur, kann als eine Folge eines möglichen Temperaturanstiegs
entstehen, resultierend aus der Unter-Druck-Setzung des Luft-Feed-Stroms
zum Erzeugen einer Druckdifferenz über die Membran.
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Ein
weiterer Membrantrennprozess verwendet eine elektrokeramische Membran.
Elektrokeramiken sind ionische feste Lösungen, welche Ionenbewegungen
erlauben. Um merklich mobil zu werden, benötigt das Oxidion – wegen
seiner Größe und Ladung – eine hohe
Temperatur (ca. 800°F),
um die Festoxidgitterenergie zu überwinden.
Der elektrokeramische Membranprozess integriert sich gut in die Produktion
von Leistung wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben, weil
der leistungserzeugende Prozess Abwärme produziert, die verwendet
werden kann, um die erforderliche Betriebstemperatur der Membran
zu erzeugen. Unter Bezugnahme auf 12 können beispielsweise
der Expander 560 und der Gasgenerator 550 so ausgebildet
sein, dass das den Expander 560 an dem Ablass 572 verlassende Arbeitsfluid
eine Temperatur bei oder oberhalb 800°F aufweist. Das Arbeitsfluid
kann dann zu einem Wärmetauscher
geleitet werden, der die elektrokeramischen Membranen auf 800°F erwärmt zur
Verwendung in dem Luftentwicklungssystem 530.
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Die
Sauerstoffionen bewegen sich durch das Gitter aufgrund eines Druckgradienten über die Membran.
Auf der höheren
Sauerstoffpartialdruckseite der Membran wird Sauerstoff reduziert,
wenn er vier Elektronen aufnimmt und zwei Leerstellen besetzt. Auf
der niedrigen Sauerstoffpartialdruckseite werden durch die umgekehrte
Reaktion Leerstellen erzeugt. Oxidionen auf der niedrigen Partialdruckseite
können
durch Freisetzung von Sauerstoff entfernt werden. Die Diffusionsrate
durch die Membran wird bestimmt durch die Ionenmobilität. Diese
Mobilität
ist ein Charakteristikum eines bestimmten Materials und ist abhängig von
der Größe, Ladung
und Geometrie der Kationen im Gitter. Ein mögliches Material zur Bildung
der elektrokeramischen Membran ist Yttriumoxid-stabilisiertes Zirconoxid.
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Unter
besonderer Bezugnahme auf 16 ist
eine Anordnung für
das Membran-basierte Lufttrennsystem zur Verwendung in den Lufttrennanlagen 530, 630, 730 mit
der Bezugsziffer 900 bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform
für die Lufttrennanlage
sind ein Lufteinlass 510 und ein Feed-Kompressor 520 ähnlich zu
dem Lufteinlass 510 und dem Feed-Kompressor 520,
welche in 12 mit Bezug auf den grundlegenden
Niedrigemissionsmotor 500 offenbart sind, bereitgestellt.
Die komprimierte Luft wird dann auf einen Sammler 910 gerichtet,
wohin Ströme
von verschiedenen Membrankammern zur Reprozessierung zurücklaufen,
um innerhalb des Sammlers 910 kombiniert zu werden. Ein
Sammlerauslass 915 stellt den einzigen Auslass aus dem
Sammler 910 dar. Der Sammlerauslass 915 führt zu einem
ersten Membrangehäuse 920.
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Das
erste Membrangehäuse 920 ist
vorzugsweise ein Gehäuse,
welches einen Einlass aufweist und eine Membran, welche das Gehäuse in zwei
Regionen trennt. Das Gehäuse
ist mit zwei Auslässen versehen.
Einer der Auslässe
ist auf der gleichen Seite der Membran wie der Einlass und der andere
Auslass ist auf einer Seite der Membran angeordnet, die dem Einlass
gegenüberliegt.
Wenn die Membran von dem Typ ist, der Sauerstoff einen leichteren
Durchtritt erlaubt als Stickstoff, ist ein sauerstoffreicher Auslass 924 auf
der Stromabwärtsseite
der Membran angeordnet und ein stickstoffreicher Auslass 926 ist
auf der gleichen Seite der Membran angeordnet wie der Einlass 915.
Wenn die Membran Stickstoff einen leichteren Durchtritt erlaubt,
so ist die Anordnung der Auslässe
umgekehrt.
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Der
Sammlerauslass 915 führt über den
Einlass in dem ersten Membrangehäuse 920 in
das erste Membrangehäuse 920.
Weil Sauerstoff leichter durch die Membran innerhalb des ersten
Membrangehäuses 920 strömt, weisen
die Gase, welche durch den sauerstoffreichen Auslass 924 strömen, einen erhöhten Prozentanteil
an Sauerstoff auf gegenüber den
Prozentanteilen an Sauerstoff unter Standardatmosphärenbedingungen,
und der stickstoffreiche Auslass 926 weist einen Stickstoffgehalt
auf, der höher
ist als derjenige unter Standardatmosphärenbedingungen.
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Der
sauerstoffreiche Auslass 924 führt zu einem zweiten Membrangehäuse 930,
wobei er über einen
sauerstoffreichen Einlass 932 in das zweite Membrangehäuse 930 eintritt.
Das zweite Membrangehäuse 930 ist ähnlich zu
dem ersten Membrangehäuse 920 angeordnet.
Somit ist eine Membran innerhalb des zweiten Membrangehäuses 930 bereitgestellt,
und es sind zwei Auslässe
bereitgestellt, umfassend einen sauerstoffsuperreichen Auslass 934 auf
einer Seite der Membran, welche dem sauerstoffreichen Einlass 932 gegenüberliegt,
und einen zweiten Auslass 938, der auf der gleichen Seite
der Membran innerhalb des zweiten Membrangehäuses 930 wie der sauerstoffreiche
Einlass 932 angeordnet ist.
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Der
sauerstoffsuperreiche Auslass 934 führt zu einem Sauerstoffvorrat 936 zur
Verwendung innerhalb eines der oben erörterten Motoren 500, 600, 700.
Die Gase, welche durch den zweiten Auslass 938 strömen, weisen
typischerweise Sauerstoff- und Stickstoffgehalte auf, die denen
unter Standardatmosphärenbedingungen
entsprechen, behalten aber einen erhöhten Druck bei. Der zweite
Auslass 938 führt zurück zu dem
Sammler 910 zum Kombinieren mit Luft, welche aus dem Feed-Kompressor 520 austritt, und
zum erneuten Durchleiten durch das erste Membrangehäuse 920 wie
oben erörtert.
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Der
das erste Membrangehäuse 920 verlassende
stickstoffreiche Auslass 926 wird zu einem dritten Membrangehäuse 940 geleitet,
wo er über
einen stickstoffreichen Einlass 942 in das dritte Membrangehäuse 940 eintritt.
Das dritte Membrangehäuse 940 ist ähnlich zu
dem ersten Membrangehäuse 920 und
dem zweiten Membrangehäuse 930 angeordnet, derart,
dass eine Membran innerhalb des dritten Membrangehäuses 940 angeordnet
ist und zwei Auslässe
aus dem dritten Membrangehäuse 940 bereitgestellt
sind. Einer der Auslässe
ist ein stickstoffsuperreicher Auslass 944 auf einer Seite
der Membran innerhalb des dritten Membrangehäuses 940 ähnlich zu
dem stickstoffreichen Einlass 942. Der stickstoffsuperreiche
Auslass 944 kann zu einer umliegenden Atmosphäre führen oder
für Prozesse
verwendet werden, wo ein Gas mit hohem Stickstoffgehalt wünschenswert
ist.
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Ein
dritter Permeatrücklauf 948 stellt
einen Auslass aus dem dritten Membrangehäuse 940 bereit, der
auf einer Seite der Membran innerhalb des dritten Membrangehäuses 940 angeordnet
ist, welche der Anordnung des stickstoffreichen Einlasses 942 gegenüberliegt.
Der dritte Permeatrücklauf 948 führt zurück zu dem
Sammler 910 zum Reprozessieren der noch unter Druck stehenden
Luft, welche das dritte Membrangehäuse 940 über den
dritten Permeatrücklauf 948 verlässt. Diese
Luft, welche den dritten Permeatrücklauf 948 durchströmt, ist
typischerweise in ihrer Zusammensetzung ähnlich zu dem zweiten Permeatrücklauf 938 und
der den Feed-Kompressor 520 verlassenden Luft.
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Während viele
verschiedene Typen von Membranen innerhalb des ersten Membrangehäuses 920,
des zweiten Membrangehäuses 930 und
des dritten Membrangehäuses 940 verwendet
werden können,
verändert
der Membrantyp typischerweise nicht die allgemeine Anordnung der
Membrangehäuse 920, 930, 940 und
der Leitungen zum Leiten der Gase zwischen den verschiedenen Permeaten 920, 930, 940 und
anderen Komponenten der Membran-basierten Lufttrennanlage 900 von 16.
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Es
sind zwar mehrere verschiedene Techniken zum Abtrennen von Stickstoff
und Sauerstoff aus der Luft offenbart worden, jedoch identifiziert
die vorliegende Beschreibung nicht jeden möglichen Lufttrennprozess oder
Vorrichtung hierfür.
Beispielsweise können
wirtschaftliche und andere Erwägungen
die Anwendung von Kombinationen der oben beschriebenen Prozesse
vorteilhaft machen. Vielmehr werden die vorliegenden Beispiele vorgestellt,
um anzuzeigen, dass verschiedene Trennprozesse zur Verfügung stehen,
um das Ziel der Anreicherung des Sauerstoffgehalts der Luft, die
einer Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird, und der Reduzierung
eines korrespondierenden Stickstoffgehalts der Luftzufuhr zu einer
Verbrennungsvorrichtung zu erreichen. Durch Reduzierung einer Stickstoffmenge,
welche in eine Verbrennungsvorrichtung gelangt, z. B. in eine Verbrennungsvorrichtung 550, 650, 750,
wird eine Menge an Stickstoffoxiden, die als Verbrennungsprodukte
innerhalb der Verbrennungsvorrichtung 550, 650, 750 produziert
werden, reduziert, und es resultiert eine Verbrennungs-basierte
Leistungsproduktion mit geringer Emission.
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Nachdem
nun die Erfindung beschrieben worden ist, sollte ferner erkennbar
sein, dass verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne den Bereich
der Erfindung, wie er hierin offenbart und in den beigefügten Ansprüchen identifiziert
ist, zu verlassen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Erfindung zeigt industrielle Anwendbarkeit insofern,
als sie ein Verbrennungs-basiertes Leistungserzeugungssystem mit
geringer oder null Emission bereitstellt. Ein derartiges System
kann in Transport- und stationären
Leistungsumgebungen verwendet werden. Die Regierungen zahlreicher
Länder
regulieren das Ausmaß an Emissionen,
welche von einem Leistungserzeugungssystem erzeugt werden kann.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die Notwendigkeit, Verbrennungs-basierte
Leistungserzeugungssysteme mit verminderter Emission zur Verfügung zu
haben.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines hocheffizienten Verbrennungs-basierten Leistungserzeugungssystems.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Leistungserzeugungssystems, welches ferner Wasser als ein
Nebenprodukt erzeugen kann. In Gebieten, wo Wasser knapp ist, können die
gemäß vorliegender
Erfindung erzeugten Wasser-Nebenprodukte besonders vorteilhaft sein.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Verbrennungs-basierten Leistungserzeugungssystems, welches
eine Luftbehandlungsanlage zum Abtrennen von Stickstoff aus der
Luft vor der Verwendung der Luft zur Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Treibstoffs
umfasst, derart, dass Stickstoffoxide als Nebenprodukte der Verbrennung
in dem Leistungserzeugungssystem reduziert oder eliminiert werden.
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Weitere
Ziele der vorliegenden Erfindung, welche die industrielle Anwendbarkeit
der Erfindung demonstrieren, ergeben sich aus der sorgfältigen Lektüre der vorliegenden
Beschreibung der Erfindung unter Berücksichtigung der beigefügten zeichnerischen
Darstellung sowie der Ansprüche.