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Verfahren zur Ausnutzung von Abwärme, insbesondere von heißen Abgasen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ausnutzung von Abwärme, insbesondere
von heißen Abgasen, durch Erhitzung eines gasförmigen Arbeitsträgers bei gleichbleibendem
Volumen zwecks Erzielung nutzbarer Kraftleistungen. Die heißen Abgase von Wärmekraftanlagen
fällen in der Regel mit verhältnismäßig niedrigem Druck an. Es ist bekannt, die
Abwärme auf einen Arbeitsträger zu übertragen, der mit Hilfe eines oder mehrerer
Kompressoren verdichtet ist. Ferner ist es bekannt, ein in einer Arbeitsmaschine
verwendetes Gas nur durch die Abwärme dieser Maschine ohne mechanischen Arbeitsaufwand
zum Zwecke einer Leistungserhöhung zu verdichten. Während die bekannte Vorrichtung
mit einer Reihe hintereinandergeschalteter Gasbehälter mit Überströmung der verdichteten
Gasmengen an den gekühlten Enden arbeitet, erreicht die Erfindung die Leistungserhöhung
dadurch, daß der Arbeitsträger mittels einer Umwälzvorrichtung, welche lediglich
die Reibungswiderstände überwindet, in einem geschlossenen Raum, der eine räumliche
Ausdehnung des Arbeitsträgers verhindert und in dem Druckausgleich besteht, durch
einen von den Abgasen beheizten Wärmeaustauscher geführt wird. Der auf diese Weise
auf höheren Druck gebrachte Arbeitsträger wird hierauf unter Arbeitsentlastung entspannt.
Zweckmäßigerweise werden die aus dem Arbeitszylinder austretenden Abgase dazu verwendet,
den Arbeitsträger bei gleichbleibendem Volumen vorzuwärmen. Dem dadurch auf höheren
Druck gebrachten Arbeitsträger wird dann vor seiner Entspannung zusätzlich Energie,
z. B. Frischwärme, zugeführt.
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Das Verfahren wird im nachstehenden durch einige Ausführungsbeispiele
erläutert. In Abb. r ist eine Anlage nach der Erfindung schematisch dargestellt,
die aus den beiden Behältern Z1 und Z2, aus dem Arbeitszylinder Y und dem Wärmeaustauscher
G besteht. Als Arbeitsträger ist Luft verwendet. Sie wird durch den Ventilator S
angesaugt und in die Behälter Z1 und Z2 gedrückt, was später noch näher beschrieben
wird. Der Ventilator U dient dazu, die in einem Behälter befindliche Luftmenge dem
unteren Teil des Behälters zu entnehmen und nach Erhitzung in dem Wärmeaustauscher
G in den oberen Teil des Behälters zurückzuführen.
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Wird der Gegenstromvorwärmer G beispielsweise durch die Abgase eines
Dieselmotors beheizt, die eine Temperatur von 5a7° C besitzen, so kann durch die
im Gegenstromvorwärmer durch die umgewälzte Luft übertragene Wärme eine entsprechende
Luftmenge, etwa die 43fache Gewichtsmenge, von 27° C auf die Abgastemperatur
von 5a7° C
möglichst nahekommende Temperatur erhitzt werden. Da die Erhitzung
in einem geschlossenen-Raum erfolgt, so steigt der Druck der
eingeschlossenen
Luft von i ata auf etwa 2,8 ata. Diese Druckluft kann bei der nachfolgenden Expansion
im Arbeitszylinder Arbeit leisten, wobei die Luft auf etwa i ata entspannt wird.
Die Temperatur der entspannten Luft beträgt dann etwa 300° C.
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Die mit dieser Temperatur aus dem Arbeitszylinder austretende entspannte
Luft kann ihrerseits in ähnlicher Weise zur Drucksteigerung einer zweiten Luftmenge,
die ebenfalls in einem geschlossenen Raum über einen Wä rmeaustauscher umgewälzt
wird, verwendet werden, wobei der Druck der zweiten Luftmenge auf etwa 2 ata steigt.
Diese Drucksteigerung kann ebenfalls zur Krafterzeugung ausgenutzt werden.
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In dem in Abb. i dargestellten Behälter Z, ist zwischen der kalten
und der heißen Luftschicht kein Trennkolben vorgesehen, da eine störende Durchmischung
wegen der verschiedenen spezifischen Gewichte der beiden Luftschichten nicht zu
befürchten ist. Daß aber auch ein besonderes mechanisches Mittel zur Trennung der
beiden Luftschichten vorgesehen werden kann, zeigt der in dem Behälter Z2 vorgesehene
Kolben T, der an einer Stange O auf und ab gleitet.
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Die Arbeitsweise der in Abb. i dargestellten Anlage ist folgende:
Die Frischluft wird von dem Ventilator S über die Ventile Th und Vr, in den unteren
Teil des Behälters Z, gedrückt. Die von der vorhergegangenen Expansion im Behälter
Z, noch vorhandene entspannte Luft wird durch die eintretende Frischluft nach oben
geschoben und über das Ventil T'$ entfernt.
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Nachdem der Behälter Z, mit Frischluft gefüllt ist, werden die Ventile
Z'3, V, und Va geschlossen und die Ventile L', und V3 geöffnet. Die Frischluft wird
dann durch den Ventilator U über den Vorwärmer G umgewälzt, so daß nach beendeter
Erhitzung in dem Behälter Z, sich Luft von erhöhtem Druck und hoher Temperatur befindet.
Bei dem oben angegebenen Zahlenbeispiel besitzt die erhitzte Luft einen Druck von
2,8 ata und eine Temperatur, die der Abgastemperatur von 27o° C möglichst nahekommen
soll.
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Nach vollendeter Erhitzung werden die Ventile L', und f73 geschlossen
und die Ventile V5 und V6 geöffnet. Die heißen Gase expandieren dann in dem Arbeitszylinder
Y und schieben den Kolben K von der eingezeichneten linken Grenzstellung in seine
rechte Grenzstellung. Die dabei geleistete Arbeit entspricht in dem Zahlenbeispiel
der Expansion der Luft von 2,8 ata auf i ata.
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Während des vorstehend beschriebenen Arbeitshubes des Kolbens K schiebt
dieser die in dem Zylinder Y befindliche entspannte Luftmenge über das Ventil V;
aus dem Zylinder I' heraus. Während dieses Arbeitshubes, d. h. während der Expansion
der Luft aus dem Behälter Z1 in den Arbeitszylinder Y, wird der Behälter Z2 in gleicher
Weise, wie vorhin beim Behälter Z, beschrieben, mit Frischluft gefüllt, und die
eingeführte Frischluftmenge wird durch Umwälzen über den Gegenstromwärmer G erhitzt
und auf höheren Druck gebracht. Das Füllen des Behälters Z2 mit Frischluft und die
Erhitzung dieser Luft kann sehr rasch durchgeführt werden, da die Strömungsgeschwindigkeit
der Luft bei diesen Vorgängen durch geeignete Bemessung der Ventilatoren S und U
entsprechend groß gemacht werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere
Behälter, z. B. drei, vorzusehen und während der Expansion der Luft aus dem ersten
Behälter den zweiten Behälter mit Frischluft zu füllen und die ini dritten Behälter
eingeschlossene Frischluft über den Gegenstromvorwärmer G umzuwälzen.
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An dem Behälter Z2 sind in Abb. i mehr Ventile vorgesehen als an dem
Behälter Z1, um die Wirkungsweise zu erläutern, wenn die verschieden heißen Luftschichten
im Behälter Z2 durch einen Kolben T getrennt werden. Bei der Füllung des Behälters
Z2 strömt die Frischluft über die Ventile Z',und V,5 von unten in den Behälter Z.
ein und hebt den Kolben T, der natürlich sehr leicht sein muß, hoch. Die über dem
Kolben T befindlichen entspannten Gase werden über die Ventile L'" und h,3 aus dem
Behälter Z2 herausgeschoben. Bei der Erhitzung der in dem Behälter Z.= eingeschlossenen
Frischluft wird diese über Ventil Z'2 entnommen und über die Ventile V" und V"
zu der Oberseite des Kolbens T ge-
leitet. Während der Erhitzung sinkt
der Kolben T nach unten. Während der Expansion der erhitzten Gase aus dem Behälter
Z2 in den Arbeitszylinder Y sind die Ventile L',2 und V,4 geöffnet und die übrigen
Ventile geschlossen. Der Anschluß des Ventils V,2 liegt oberhalb des Kolbens T in
seiner tiefsten Stellung.
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Die Abb. i enthält noch eine weitere Variation hinsichtlich der Abführung
der entspannten Gase aus dem Arbeitszylinder Y. Dies ist an dem Behälter Z, erläutert:
Nimmt man an, daß der Kolben K sich in seiner rechten Endstellung befindet und daß
dieser durch die aus dem Behälter Z2 expandierende Luft nach links verschoben wird,
so kann, statt die entspannte Luft aus dem Behälter Y über ein in Abb. i nicht dargestelltes,
an linken Zylinderende vorgesehenes Ventil unmittelbar abzulassen, die entspannte
Luft auch über die Ventile Ve, und V5 in den unteren Teil des Behälters Z, geleitet
werden. Dadurch wird zunächst die im Behälter Z, befindliche entspannte
Luft
über das Ventil V$ abgeführt, und die im Arbeitszylinder Y befindliche entspannte
Luft strömt in den Behälter Z1 ein. Diese entspannte Luftmenge wird dann, wie oben
beschrieben, durch die vom Ventilator S in den Behälter Zi.eingeführte Luft ebenfalls
über Ventil U$ aus dem Behälter Z1 entfernt.
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Die vorstehend beschriebene Schaltung kann weiter ausgebildet werden,
indem die Wärme der entspannten Gase weiter ausgenutzt wird, z. B. zur Beheizung
eines Gegenstromvorwärmers, in dem eine andere Frischluftmenge bei konstantem Volumen
erhitzt wird.
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Die Erhitzung des Arbeitsträgers bei gleichbleibendem Raum kann auch
erfindungsgemäß mit einer Abkühlung des Arbeitsträgers bei gleichbleibendem Raum
verbunden werden. Durch diese Abkühlung bei konstantem Volumen wird eine Druckabsenkung
des Arbeitsträgers erreicht, die zur zusätzlichen Krafterzeugung ausgenützt werden
kann. Dies ist in Oden Abb. z und 3 an dem Kreisprozeß der idealen Maschine erläutert.
Zur Vereinfachung der Darstellung des Diagramms (Abb. 3) ist angenommen, daß der
BehälterZ mit dem Arbeitszylinder Y vereinigt ist (Abb. 2).
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Bei der Expansion der vorher unter gleichbleibendem Volumen erhitzten
Druckluft leistet diese Arbeit nach der Adiabate A-B. Bei B ist der Druck auf i
ata, die Temperatur auf 3a7° gefallen. Von B nach C finden bei gleichbleibendem
Raum und bei von der Kurbel angekuppeltem Kolben die Abkühlung der Abgase von 3a7
auf 27° statt, wobei ihr Druck auf o,5 ata sinkt. Von C nach D erfolgt die Verdichtung
nach der Isotherme C-D, wobei bei D wieder ein Drück von i ata und eine Temperatur
von 27° erreicht ist. Von D nach A erfolgt die Erhitzung bei gleichbleibendem
Raum und ebenfalls bei abgekuppeltem Kolben, wobei die Erhitzung bis 3z7° durch
"die den Abgasen entzogene Wärme im Gegenstrom erfolgt und der Rest durch Frischwärme
zugeführt wird.
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Man kann die Linie C-D auch durch eine Adiabate Ca-D ersetzen, wobei
zweckmäßig eine zusätzliche Kühlung vor der Verdichtung vorgenommen wird.
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Man kann weiterhin, wie die gestrichelten Kurven in Abb. 3 zeigen,
die Druckluft auch bis auf 2/3 ata expandieren lassen. Dabei geht die Temperatur
der Abgase auf 24o° zurück. Die Abkühlung der Abgase ergibt einen Unterdruck von
0,4 ata. Der Vorteil dieser tiefen Expansion liegt in der erreichten niedrigeren
Abgastemperatur. Die Luft braucht dann im vorliegenden Beispiel nur noch von 24o°
(Punkt D' des Diagramms) statt von 327° (Punkt B des Diagramms) auf a7° abgekühlt
zuwerden. Die zur Abkühlung der Luft vorgesehenen Wärmeaustauscher können daher
kleiner ausgeführt werden.
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Das Verfahren läßt sich im allgemeinen mit an sich bekannten Mitteln
durchführen. Isothermisch zu verdichten ist schon lange als günstig erkannt, doch
genügen die vorhandenen Kühlflächen des Zylinders, Deckels und Kolbens dazu meist
nicht. Auch die Kühlung durch Wassereinspritzung ist nicht überall anwendbar. Deshalb
ist es zweckmäßig, wie Abb. 4 zeigt, das Gas im Zylinder Z während des Verdichtens
und die Kühlung außerhalb vorzunehmen. Die Entnahme kann an verschiedenen Stellen
nacheinander, je nach der Kolbenstellung, oder gegebenenfalls auch durch die hohle
Kolbenstange erfolgen.