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Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen, bei Uein verdichtetes
mit Wasserdampf angereichertes gasförmiges Arbeitsmittel durch Abgase und Brennstoff
eThitzt -und dann mehrstufig entspannt wird. Bei dem bekannten Verfahren dieser
Art wird in das verdichtete Arbeitsmittel (Druckluft) WassereIngespritzt, um seine
Temperatur wesentlich herabzusetzen. Das Wasser muß daher kalt sein. Wegen dies-er
Temperaturermäßigung der Luft kann sie sich nur wenig mit Wasserdampf anreichern,
da ihre Fähigkeit, Wasiserdampf aufzunehmen, mit sinkender Temperatur stark ahnfinmt.
welches nach Das der Gewicht Einspritzung des Arbeitsmittels - aus Druck-
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Inft und Wasaardampf besteht, ist wegen der geringen Wässexdainpfaufnahme
auch rächt viel größer als dasjenige vor der Wassereinspritzung.
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Das so gebildete Arbeitsmittel soll bei dem bekannten Verfahren durch
Abgase und Brennstoff erlätzt -und dann in vielstufigen Radialturbinen entspannt
werden. Bei solchen Radialturbmen, welche für hohe Umfangsgeschwindigkeiten der
Schaufelk:ränze bei hohen Temperaturen des Treibmittels ungeeignet sind, wird die
Temperatur des durch Brennstoff erwärmten Arbeitsmittels derartig begrenzt, daß
hohe thermische Wirkungsgrade ausgeschlossen sind.
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Im Gegensatz zu diesem bekaxmten Verfahren werden durch die Erfindung
besonders hohe Wirkungsgrade dadurch erreicht, daß der dem verdichteten Arbeitsmittel
aus erwärmtem verdunstendem Kühlwasser nach Patent 665 607 zugeführte Wasserdampf
zusammen -und vermischt mit dem verdichteten gasförmigen Arbeitsmittel in zwei Stufen,
deren jede ein mit Über 300m/s Umfangsgeschwindigkeit umlaufendes, axial beaufschlagtes,
einkränziges, Laufrad besitztarbeitleistend entspannt wird. Dadurch, daß nicht kaltes
Wasser wie bei dem bekannten Verfahren, sondem erwärmtes Kühlwasser von dem verdichteten
gasförinigen Arbeitsmittel
züi verdunsten ist, wird die Verdunstungswärme
nicht dem gasförmigen Arbeitsmittel entzogen, so daß dessen Temperatur sinkt, sondern
dem Teil des erwärmten Kühlwassers, der nicht verdunstet und aufs neue gemäß Patent
665 607 als Kühlwasser benutzt wird. Dies hat zur Folge" daß bei dem bekannten
Verfahren nach der Anreicherung des verdichteten Arheitsmittels mit Wasserdampf
der Wärmeinhalt des Gemisches nicht nennenswert größer ist als der Wärmeinhalt des
verdichteten Arbeitsmittels vor der Wasserdampfaufnahme. Bei dem Verfahren der Erfindun-
jedoch, bei dem die ganze Verdunstungswärme dem Wasser und nicht dem gasförmiggen
Arbeitsmittel entzogen wird, ist der Wärmeinhalt des durch die Verdunstung sich
bildenden Gemisches erheblich größer als der Wärmeinhalt des Arbeitsmittels vor
der Sättigung. Außerdem .kommt hinzu, daß das Gewicht des mit Wasserdampf angereicherten
Arbeitsmittels im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren sehr erheblich viel größer
geworden ist als das Gewicht des Arbeitsmittels vor der Wasserdampfaufnalune. Dies
rührt daher, daß bei dem Verfahren, welches der Erfindung zugrunde liegt, die Temperatur-
des gasförmigen Arbeitsmittels während des Sättigungsvärgangges wegen der hohenTemperatur
des Kühlwassers nicht sinkt, sondern noch steigt, wodurch sich seine Fähigkeit,
Wasserdämpfe aufzunehmen, erheblich steigert.
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Allerdings ist dieser bedeutende Vorteil da-.durch erreicht, daß wegen
der verhältnis,-mäßig hohen Kühlivassertemperatur in den Zwischenkühlern des Verdichters
für das Arbeitsmittel auch höhere mittlere Verdichtun--st£mperaturen fürdieses Arbeitsmittel
zugelassen werden müssen, was einen gesteigerten Kraftbedarf für die Verdichtung
eines 'bestimmten Gewichtes des gasförmigen Arbeitsmittels zur Folge hat. Dies wird
aber mehr als ausgeglichen durch die Gewichtszunahme des Arbeitsmittels infolge
der Verdunstung- des Wasserdampfes, und zwar auch dann, wenn die Verhältnisse
durch die Verdichtung auf so, hohe Spannung, wie eine zweietufige Entspannungsmaschine
sie nötig macht, sich unggünstiger gestalten. Ungünstiger gestalten sich die Verhältnisse
dadurch, daß weggen des höheren Verdichtungsverhältnisses des gasförmigen Arbeitsmittels
j,eI#,'ilogramm des Arbeitsmittels ein größerer Leistungsaufwand für die Verdichtung
erforderlich ist, der umgewandelt in Wärmt, sich im Kühlwasser wiederfindet. Es
hat daher auch jedes Kilogramm verdichtetes Arbeitsmittel eine gr:ößere Wärmemenge,
in Form von Wasserdampf aus dem Kühlwasser auf-7unebmen, was nur bei höherer Temperatur
des Arbeitsmittels möglich ist. Dadurch wird aber wiederum eine höhere Temperatur
durch den Verdunstungsvorgang rückgekühlten Kühluassers bedingt, wodurch sich die
mittlere Temperatur des Arbeitsmittels bei der Verdichtwog, und damit der für die
Verdichtung erforderliche Leistungsaufwand hinaufschiebt.
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Es zeig "t sich nun aber, daß sich bei mehrstufiger Entspannung des
auf diese Weise mit Wasserdampf angereicherten gasförmigen Arbeitsmittels der Wirkungsgrad,
mit welchem der Wasserdampfgehalt des Arbeitsmittels in mechanische Arbeit umgesetzt-wird,
bei Anwendung axial beaufschlagter einkrän-Üger Laufräder mit mehr als 300mIs Umfanggsgeschwindigkeit
derart verbessert, daß dadurch der --verhältnismäßig -rößere Leistungsaufwand bei
der Verdichtung des Arbeitsmittels mehr als ausgeglichen wird, so daß sich insgesamt
eine Wirkungsgradsteigerung durch das Verfahren der Erfindung ergibt.
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Die Zeichnung stellt -eine Anlage für das Verfahren der Erfindung
dar. Der Luftverdichter V, saugt die Luft durch die Leitung 2 an, drückt: sie nach
der Verdichtung durch die Druckleitung3 hinaus. Auf dem Wege der Luft durch den
VerdichterV1 durchströmt sie die Zwischenkühler4, 5 und 6,
.der.,en
kühlende metallene Oberflächen nach-.einander von dem Kühlwasser bespült werden.
Die Druckluft, welche den VerdichterVI durch die Leitung 3 verläßt, tritt
in den SättigerS von unten Bein, in welchem die Druckluft dem niederrieselnden Wasser
entgegen eine aus FüllköiPern bestehende Rieselschicht durchstrümt, wobei sich die
Druckluft mit Feuchtigkeit anreichert und gleichzeitig das niederrieselnde -Wasser
abküMt. Dieses wird durch die Pumpe 7 - dtm unteren Teil des Sättigers entnommen,
durch die Zwischenkühler 6, 5 und 4 des Verdichters V, züi dem von, den Verbrennungsabgasen
beheizten Wärmetauscher8 gefördert, aus welchem es zur Wasserverteilup,- oberhalb
der Rieselschicht des SättigersS zuTückkehrt. Das im SättigerS verdunstete Wasser
wird durch ein Sch"vimmexventilg ersetzt, welchem das im Wärmetausclier io von den
Abgasen vorgewärmte Zusatzwasser zufließt.
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Die mit Wasserdämpfen angereicherte Druckluft wird von dein SättIgerS
durchdie Leitung i i den Wärmespeichern R, zugeführt, die durch die Verbrennungsgase,
welche aus der BrennkammerB1 kommen, aufgeheIzt werden. Die hocherhitzte mit Wasserdämpfen
angereicherte Druckluft verläßt die Wärmesp eicher RI. durch die Leitung 12, die
sie zu ,der TurbineT, führt, in -welcher sie auf eine mittlere Spannung entspannt
wird. Hierbei
treibt sie in der Turbine T, ein einkränziges Laufrad,
das mit mindestens 3oo m/s um-läuft.
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Die aus der Turbine T, entweichende Druckl-qft wird in der BrennkammerB2
aufs .neue aufgeheizt. Wird hierfür gasförmiger Br,emnste,ff benutzt, der in einem
Verdichter V,3 auf die in der BrennkammerB2 herrschende Spannung verdichtet wird,
so wird dieses brennbare Gas im WärmetauscherR3 voir seinem Eintritt in
die Brenrfl,-ammer B, durch die Abgase der Turbine vorgewärmt. Der VerdichterV3
kann ebenso. wie derjenige V_, für die Luft mit Zwischenkühlern versehen sein, welche
an den Kühlwasserkieislaii#, den die PumPe7 aufrechterhält; parallel zu den Zwischenkühlern
6, 5 und 4 des Verdichters V, eingeschaltet sein können.
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Die in der Brennkammer B2 durch Verbrennung wieder aufgeheiztan Gase
mittlerer Spannung gelangen zur Turbine T2, in der sie bis nahezu auf atmosphärische
Spannung entspannt werden. Auch diese Turbine T_, arbeitet mit einem einkränzigen
Rad, dessen Umfangsgeschwindigkeit mehr als 3oo m/s be-. trägt.
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Die Abgase der Turbine T2, welche im wesentlichen aus Luft bestehen,
die nur mit den in' der BrennkammerB2 entstandenen Verbremungsgasen vermischt sind,
gelangen zum größten Teil in die BrennlmmmerB" in der sie mit dem Breanstoff zusammentreffen,
der, wenn es sich um gasförmigen Brennstoff handelt, durch das GebläseV2 der Brennkammer
B, durch den Wärmetauscher R2, welcher von einem Teil der Abgase beheizt ist, zugeführt
wird.
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Aus der Brennkammer B, strömen die heißen Verbrennunggsgase, wie oben
bereits .erwähnt wurde, dem WärmespeicherR., zu, den sie beheizen. Dieser Wäxmesp:eicherR1
wird in bekannter Weise sck betrieben, daß einzelne Kammern, welche- mit wärmespeicherndem
Werkstoff gefüllt sind, abwechselnd durch die heißen Verbrennung--gase aufgeheizt
und durch. die anzuwärmende Druciduft wieder .gekühlt - werden.
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Die im Wärmespieichier R, abgekühlten Verbrennungsgas-e vereinigen
sich mit denjenigen wieder, die in den WäxmetauschernR2 und R, ihre Wärme abgegeben
haben, um den oben erwähnten Wärmetauschern 8 und io zuzuströmen. Statt die
BrennkammerB1 mit dem Gasgemisch zu beschicken, welches die Turbine T2 verläßt,
kann diese Brennkammer B, auch von der im. Wärmespeicher RI. envärinten Druckluft
auf ihrem Wege zur TurbineT, durchströmt werden. In diesemFalle ist die BrennkammerBL
in die Leitung 12 vor ihrem Eintritt in die TurbineT, eingeschaltet. Dabei muß dann
allerdings, wenn .e#n gasförmiger Brennstoff der BrennkammewB1 zugefuhrt werden
süll, dieeer vzn dem Verdichter V2 auf die gleiche Spannung wie die Druckluft verdichtet
werden, so daß also -der Vorteil der niedrigen Verdichtung des brennbaren Gases
dahn nicht besteht.