DE881127C - Vorrichtung zum Umwandeln der Energie von Feuerungsgasen in mechanische Arbeit - Google Patents

Description

Das Patent 873 464 betrifft unter anderem ein Verfahren zum Umwandeln der Energie von Feuerungsgasen eines kontinuierlichen, unter dem im wesentlichen konstanten Druck mehrerer Atmosphären betriebenen Verbrennungsprozesses in mechanische Arbeit, nach welchem die Feuerungsgase nacheinander durch zwei Vorrichtungen geleitet werden, in deren jeder ein Teil ihrer Energie ausgenutzt wird, wobei die Feuerungsgase, ohne daß ihnen vorher Energie zur Erzeugung von mechanischer Energie entzogen worden ist, unter dem genanntenDruck und anschließend unter Expansion auf eine Flüssigkeitssäule wirken, die dadurch bewegt wird und eine Kraftmaschine treibt.

Die zusätzliche Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens. Das wesentliche Merkmal dieser Vorrichtung besteht in mehreren Expansionskammern, deren jede einen Ein- und Auslaß für die Verbrennungsgase besitzt und eine Flüssigkeitssäule enthält, die durch die Verbrennungsgase beim Einlassen und Expandieren in einer Richtung und beim Auslassen in der anderen Richtung bewegbar ist und ihre Bewegung auf eine Kraftmaschine überträgt.

Bei Vorrichtungen gemäß der Erfindung erzielt man gegenüber üblichen Wärmekraftanlagen eine wesentliche Steigerung 'des theoretisch erreichbaren thermischen Wirkungsgrades dadurch, daß die Raumänderungsarbeit der Feuergase ausgenutzt wird. Falls die Brennstoffe Feuchtigkeit enthalten, beispielsweise Rohbraunkohle oder Torf, dann vergrößert sich das Volumen der Feuergase um das ■ Volumen der verdampften Brennstoffeuchtigkeit. ίο Dementsprechend vergrößert sich auch die Raumänderungsarbeit. Gleichzeitig wird die Temperatur der unter Druck entwickelten Feuergase bei entsprechender Feuerraumgestaltung auf die erreichbare Feuergastemperatur gesteigert und das dann bestehende große Temperaturgefälle in zwei Stufen für die Krafterzeugung ausgenutzt. In der ersten Stufe expandieren die Feuergase bei dem günstigsten Druckverhältnis bis auf eine Temperatur, die es gestattet, einen Lufterhitzer ohne Gefahr der ao Überhitzung in den abströmenden Gasstrom einzubauen.

Die zweite Stufe arbeitet mit verdichteter Luft als Betriebsmittel. Dieselbe nimmt auf dem Wege durch den Lufterhitzer die restliche Gaswärme auf, die in einer Turbine in mechanische Energie verwandelt wird.

Wird diese Luft in einem mehrstufigen Verdichter über den Betriebsdruck der Feuerung verdichtet und die Expansion in der Arbeitsturbine so geleitet, daß der Enddruck dem Betriebsdruck der Feuerung entspricht, dann kann die abströmende Luft der Feuerung als Verbrennungsluft zugeleitet werden. Die nach der Expansion verbleibende restliche Luftwärme wirkt sich hinsichtlich der angestrebten hohen Feuergastemperatur günstig aus. Der Antrieb der Arbeitsturbine kann auch durch einen zusätzlichen Luftstrom erfolgen, der zwischen den beiden letzten. Stufen eines mehrstufigen Verdichters zirkuliert. Der Lufterhitzer und die Arbeitsturbine werden dann in den kreisenden Luftstrom eingeschaltet. Das ist das eingangs beschriebene Verfahren, das jetzt in den Grenzen der zulässigen Metalltemperatur durchgeführt wird.

Die Schwierigkeiten, die bei der Verwendung der Feuergase als Betriebsmittel auftreten können, werden dadurch behoben, daß die Verbrennung der festen Brennstoffe unter dem gewählten Betriebsdruck kontinuierlich durchgeführt wird, und bei einer Temperatur und Feuerraumgestaltung, daß der Verbrennungsrückstand bzw. der Flugstaub . als flüssige Schlacke in der Feuerung ausgeschieden wird. Damit verbunden ist eine vollkommene Verbrennung, so daß für die Krafterzeugung klare, staubfreie Gase zur Verfügung stehen. Die gespannten Gase können dann in. eine normale Kolbenmaschine geleitet werden, in der die Raümänderungsarbeit und die Wärme der Feuergase in mechanische Energie verwandelt werden.

Die hohe Temperatur der Betriebsgase würde eine Wasserkühlung der Maschinenelemente erforderlich machen, die mit einem bedeutenden Energieverlust verbunden ist. Diesen Kühlverlust kann man bei dem Einsatz einer Kolbenmaschine wesentlich vermindern, wenn der Arbeitsraum der Gase von dem des Kolbens durch eine Flüssigkeitssäule getrennt wird, die den Druck der Gase auf den Kolben überträgt. Der Spiegel der Flüssigkeit muß dann durch eine schirmende Haube von den Gasen getrennt werden, weil bei einer Berührung der heißen Gase mit dem Wasser und der dabei ' auftretenden Wasserverdampfung ein Volumenschwund der Gase eintritt, der durch den entwickelten Wasserdampf nur zum Teil ersetzt wird. Nach dem Gesetz der Druckverteilung genügt ein feiner Spalt zwischen dem Schirm und der Zylinderwand für die Übertragung des Gasdruckes auf die Flüssigkeit, so daß der unmittelbare Wärmeübergang an die Flüssigkeit auf ein praktisch unbedeutendes Minimum beschränkt werden kann.

Die Wandung des Arbeitsraumes der Gase und die des Schirmes besteht aus einer feinporigen Masse, die sich mit der Flüssigkeit füllt, welche die Wandung umspült. Diese Porenfeuchtigkeit verhindert einen Wärmeabfluß durch die Wandung, die nur eine dem Druck entsprechende Wasser- bzw. Dampftemperatur annehmen kann. Die Verdampfung der Porenfeuchtigkeit erstreckt sich erfahrungsgemäß trotz der auftretenden hohen Temperatur über eine längere Zeit, so daß in der kurzen Zeit, in der die Gase während eines Hubes mit der . Wandung des Zylinders in Berührung kommen, nur ein geringer Teil der Porenfeuchtigkeit, verdampft wird.

Bei einer. derartigen Gestaltung des Arbeitsraumes der Feuergase kann das Arbeitsvermögen der Gase auch auf eine Flüssigkeit übertragen werden, die, entsprechend der Spannung und Dehnung der-Gase in Bewegung gesetzt, die Strömungsenergie an eine Wasserturbine abgibt.

Ein Ausführungsbeispiel ist in schematischer Darstellung gezeichnet. Es wurde eine Kohlenstaubfeuerung α gewählt. Der Brennstaub wird in dem Bunker b gespeichert und durch einen Teil der Verbrennungsluft, die über den Bunker durch das Steigrohr c geleitet wird, dem Brenner d zugeführt.

In dem mehrstufigen Kreiselverdichter i wird . die Verbrennungsluft mit zwischengeschalteter Wasserkühlung/ über den Betriebsdruck der Feuerung verdichtet, sie durchströmt den Erhitzer g und-expandiert in der Arbeitsturbine h, die den Verdichter i antreibt, auf den Betriebsdruck der Feuerung. In der Feuerung α wird die Verbrennung des Kohlenstaubes so geleitet, daß der Verbrennungsrückstand bzw. der Flugstaub als flüssige n₅ Schlacke ausgeschieden wird. Die Schlacke fließt in den mit Wasser gefüllten Behälter / und wird granuliert über die Schleuse m ausgetragen.

Das Arbeitsvermögen der Feuergase wird auf eine Flüssigkeit und die aus der Spannung und Dehnung der Gase resultierende Strömungsenergie der Flüssigkeit auf die Wasserturbine η übertragen. Die Regulierung des Energiestromes erfolgt durch die Expansionsgefäße k, die den Strom der Feuergase aufnehmen. Die Einströmung erfolgt über das Ventil p in regulierbaren Mengen, und

zwar nacheinander, aber sich überschneidend, in die einzelnen 'Gefäße, so daß ein kontinuierlicher Abfluß der Feuergase gewährleistet ist. Die in die Gefäße einströmende Gasmenge verdrängt einen Teil der Flüssigkeit unter kontinuierlichem Druck über das Ventil ς¹ in das zentrale Rohr r und expandiert nach Schließung des Ventils p auf einen Druck, der durch die Höhe der Wassersäulei bestimmt ist. Dabei verdrängen die Gase eine der

ίο Expansion entsprechende Flüssigkeitsmenge bei fallendem Druck über das umgeschaltete Ventil q in das Ringrohr t, das der Gefäßzahl entsprechend in einzelne Kammern unterteilt ist.

In der düsenartig ausgebildeten Austrittsöffnung u wird der unter kontinuierlichem Druck mit höchster Geschwindigkeit austretende Flüssigkeitsstrom mit dem bei fallendem Druck austretenden vereinigt, so daß¹ der Wasserturbine η ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom mit einer mittleren Geschwindigkeit 'zufließt.

Die aus der Wasserturbine abströmende Flüssigkeit fließt nach Umschaltung des Ventils q über die Leitung s wieder in· die Expansionsgefäße und verdrängt die Gase durch das umgeschaltete Ventil·/» über den Lufterhitzer g ins Freie.

Die besondere Ausbildung des inneren Teiles der Expansionsgefäße wurde vorstehend beschrieben. Die Trennung der Gase von der Flüssigkeit erfolgt durch die schirmende Haube w, die der Bewegung des Flüssigkeitsspiegels schwimmend oder gesteuert folgt.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Vorrichtung zum Umwandeln der Energie von Feuerungsgasen eines kontinuierlichen, unter dem im wesentlichen konstanten Druck von mehreren Atmosphären betriebenen .Verbrennungsprozesses in mechanische Arbeit nach Patent 873 464, gekennzeichnet durch mehrere Expansionskammern (k), deren jede einen Ein- und Auslaß (p) für die Verbrennungsgase besitzt und eine Flüssigkeitssäule enthält, die durch die Verbrennungsgase beim Einlassen und Expandieren in einer Richtung und beim Auslassen in der anderen Richtung bewegbar ist und ihre Bewegung auf eine Kraftmaschine (m) überträgt.

   ^: 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Kammern (k) einen Ein- und Auslaß, (q) für die Flüssigkeit besitzt, der mit dem Einlaß einer hydraulischen Kraftmaschine (n) verbunden ist, wobei die Ein- und Auslässe (/», q) für die Feuerungsgase und die Flüssigkeit im Turnus steuerbar sind.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (k) eine mit der Flüssigkeit sich ähnlich wie ein Kolben hin und her bewegende Haube (w) vorgesehen ist, welche die Flüssigkeit von den Feuerungsgasen trennt.

   4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung der Kammern (k) und/oder die Haube (w) aus einem hitzebeständigen Stoff besteht, der Poren hat, um die Flüssigkeit speichern zu können.

   5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe (ρ) für die Verbrennungsgase mit einer Vorrichtung (g) verbunden sind, in der die Wärme der Feuerungsgase an ein anderes Medium abgegeben werden kann.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das .Medium, z. B. Luft, einen Kompressor (i) für die Verbrennungsluft des Verbrennungsprozesses antreibt.

   7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die aus den Expansionskammern (fe) abströmende Flüssigkeit ein gemeinsamer Sammler vorgesehen ist, dessen Ausgang mit der hydraulischen Kraftmaschine (w) verbunden ist, wobei dieser Sammler zwei Abteile (r, t) besitzt, die über miteinander gekuppelte Ventile (q) mit den Kammern (k) derart verbunden werden können, daß das eine Abteil (r) mit einer Kammer (k) in der Periode verbunden ist, in der die Verbrennungsgase unter im wesentlichen konstantem Druck die Flüssigkeit bewegen, und das andere Abteil (i) mit einer Kammer in der Periode verbunden ist, in der die Verbrennungsgase expandieren.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das letztgenannte Abteil (i) den düsenartigen Ausgang des erstgenannten Abteils (r) ejektorartig umgibt.

   9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Haube mit einem Gestänge einer Kraftmaschine ver- Joo bunden ist.

   Angezogene Druckschriften:
   Schweizerische Patentschrift Nr. 243 910·.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   1 5226 6.