DE718197C - Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen

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DE718197C
DE718197C DEM142876D DEM0142876D DE718197C DE 718197 C DE718197 C DE 718197C DE M142876 D DEM142876 D DE M142876D DE M0142876 D DEM0142876 D DE M0142876D DE 718197 C DE718197 C DE 718197C
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DE
Germany
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heated
exhaust gases
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compressed
gaseous
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DEM142876D
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Michael Martinka
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MICHAEL MARTINKA DIPL ING
Original Assignee
MICHAEL MARTINKA DIPL ING
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/04Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas
    • F01K21/047Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas having at least one combustion gas turbine

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Description

  • 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- ' Inft und Wasaardampf besteht, ist wegen der geringen Wässexdainpfaufnahme auch rächt viel größer als dasjenige vor der Wassereinspritzung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen, bei dem verdichtetes mit Wasserdampf angereichertes, gasfärmiges Arbeitsmittel durch Abgase und Brennstoff erhitzt und dann mehrstu-fig- entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der dem verdichteten Arbeitsmittel aus ,erwärmtem, verdunstendem Kühlwasser nach Patent 665 607 zugeführtie Wasserdampf zusammen und vermischt mit dem verdichteten gasförmigen Arheitsmittel in zwei Stufen, deren jede ein mit üb#er 300 m/s Umfangsgesch-windigkeit umlaufendes, axial beaufschlagtes, einkränziges Laufrad besitzt, Arbeit leistend entspannt wird.
  2. 2. Betriebsverfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Druckstufe zugeführte mit Wasserdampf angereicherte Druckluft inWärmespeichern auf die Aufschlagstemperatur .erhitzt wird, die von durch Brennstoffzufuhr erhitzten Abgasen der zweiten Stufe beheizt wemden. 3. Betriebsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmiger Brennstoff durch einen Teil der Abgase ,dex zweiten Druckstufe- erwärmt wird, eheer durch Verbrennung den anderen Teil .dieser Abgase erhitzt. 4. Betriebsverfahren nach Anspruch i, dadurcli .gekennzeichnet, - daß die Abgase der ersten Druckstufe durch gasförmigen, von den Abgasen der zweiten Stufe vorgewärmten Brennstoff wieder aufgewärmt werden.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2389767A1 (en) * 1977-05-06 1978-12-01 Alsthom Atlantique Gas turbine powered by waste heat - has heated water injected into compressed air to reduce operating temp
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EP0275121A2 (de) * 1987-01-15 1988-07-20 Maher A. El-Masri Gas Turbine Zyklus mit gleichzeitiger, paralleler Wärmezurückgewinnung

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