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Verfahren zur Verdichtung gas- oder dampfförmiger Stoffe durch Wärmezufuhr
und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Verdichten dampf- oder gasförmiger Stoffe durch Wärmezufuhr und zur Ausnutzung
ihrer Energie.
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Es ist bekannt, durch Erhitzung eines in eine Folge gleicher Raumteile
aufgelösten Gasstromes diesen auf höheren Druck zu bringen und durch stufenweise
Entspannung in den Schaufeln eines Turbinenlaufrades zur Arbeitsleistung auszunutzen.
Die Drucksteigerung ist dabei von der Temperatursteigerung abhängig, und das Gas
steht nicht zur Abgabe unter dem gleichen Druck an einen Verbraucher zur Verfügung.
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Durch die Erfindung wird demgegenüber eine Verdichtung eines gasförmigen
Stoffes erreicht, wobei der Enddruck auch über den durch die Temperatursteigerung
erreichbaren hinausgeht und verdichtetes Gas unter konstantem Druck zur Nutzbarmachung
der Energie zur Verfügung steht. Dieser Erfolg wird dadurch erreicht, daB die Raumteile
des Gasstromes stufenweise nacheinander mit von Gas höheren Druckes und höherer
Temperatur erfüllten Raumteilen in Verbindung gebracht werden, wodurch der Inhalt
der mit kaltem Gas gefüllten Kammern verdichtet wird, von dem ein Teil zur Nutzbarmachung
abgeführt und der verbleibende Inhalt wiederum stufenweise in Räumen mit kaltem
Gasinhalt niederen Druckes entspannt wird. Durch die Anwendung dieses Verfahrens
werden praktisch da, wo in einem Verfahren eine Verdichtungs-undEntspannungsmaschine
hintereinandergeschaltet sind, erhebliche technische Vorteile erzielt.
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Die Erfindung wird an Hand der Abb. i bis q. beschrieben.
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Von dem Verdichter i wird kaltes Gas oder Dampf, z. B. Luft, angesaugt
und in die Kammer 2a gedrückt. Die Kammern 2a bis 2m sind in der Abb. i als die
Abwicklung
des Umfanges eines Rades, an dessen Umfang die Kammern angeordnet sind und das sich
in der angezeichneten Pfeilrichtung bewegt, dargestellt. Durch die in die Kammer
211 eintretende kalte Luft wird der Inhalt der Kammer durch die Leitung 3 herausgedrückt.
Die Kammer 2a bewegt sich bei Drehung des Rades in die Stellungen 2b und 2 0, in
denen sie durch weitere Stufen des Gebläses i mit vorverdichteter Luft gefüllt werden.
In den Stellungen 2d, 2e und 2f wird der Inhalt der Kammern weiter verdichtet durch
Überströmen von heißem Gas aus den Kammern in den Stellungen 21, 2h. In der Stellung
29 der Kammer wird diese in einen Gaskreislauf eingeschaltet, bestehend aus der
Leitung 5, dem Gebläse 7, dem Wärmeaustauscher 8, der Brennkammer io, der durch
die Leitung 12 ein Brennstoff zugeführt wird, und der Leitung 14 zurück zur Kammer
29. Durch das Gebläse 7 wird der Inhalt der aus der Stellung 2a nach 29 gekommenen
Kammer durch den Wärmeaustauscher in die Brennkammer gefördert, in der das Gas erhitzt
wird. Ein Teilstrom des heißen Gases füllt durch die Leitung 14 den Inhalt der Kammer
29, aus der das kalte Gas verdrängt wird. Ein anderer Teilstrom geht über die Leitung
15 zur Turbine 16. Aus der Turbine 16 strömen die entspannten Gase durch die Leitung
18 durch den Wärmeaustauscher 8 und geben dort ihre Wärme teilweise an das aus der
Kammer 29 kommende Gas ab. In der Stellung 271 ist die Kammer 2 mit heißem Gas von
höherem Druck angefüllt. Im Verlauf der weiteren Drehung des Rades kommt die Kammer
in den Stellungen 2i, 27® und 2t durch die Leitungen 2o, 21 und 22 mit den Kammern
in den Stellungen 211, 2e und 2f in Verbindung, wodurch ein Teil des Inhalts der
Kammern 2i, 2k und ai in die Kammern 2,1, 2e und 2f überströmt. Aus der Kammer 2"'Z
expandiert der Restinhalt über dieTurbine 24, die das Aufladegebläse i antreibt,
und strömt durch die Leitung 25 und den Wärmeaustauscher 8 ins Freie. Bei Feuerung
durch feste Brennstoffe wird zweckmäßigerweise durch die Leitung 26 ein Teilstrom
des Gases abgezweigt in den Vergaser 28, in dem fester Brennstoff vergast wird.
Das Brenngas geht über den Staubabscheider 29 in die Brennkammer io. Mit dem Ventil
3o wird die für den Vergaser erforderliche Luftmenge eingestellt. Aus dem Oberteil
des unter Druck arbeitenden Vergasers Eierden die Schwelgase durch den Kondensator
31, in dem der verflüssigbare Anteil der Gase kondensiert, dem Flüssigkeitsabscheider
32 und durch die Leitung 34 einer Zwischenverbrennungskammer 35 zwischen zwei Stufen
der Turbine 16 als Heizgase zugeführt. Durch den beschriebenen Vorgang wird folgendes
erreicht Dem Zellenrad strömt eine bestimmte Gewichtsmenge Gas zu. Diese Menge wird
noch durch die Überströmung durch die Leitungen 2o bis 22 vergrößert. Aus der Kammer
a- strömt eine Gewichtsmenge ab, die bei annähernd gleichem Druck wie in Kammer
2e wegen der höheren Temperatur kleiner ist. Die Differenzmenge zwischen Gaszufuhr
vom Gebläse i und dem Inhalt der Kammer 2m steht unter dem höchsten Druck der Leitung
5 zur Nutzbarmachung in beispielsweise einer Kraftmaschine zur Verfügung. Der Vorgang
läßt sich auch so erklären, daß durch die Expansion des Inhaltes der Kammern 2i
bis 21 das kalte Gas verdichtet und durch die Erwärmung im Wärmeaustauscher 8 und
der Brennkammer io die Gleichdruckarbeit geleistet wird für die Gasmenge, die durch
die Turbine 16 expandiert. Es ist also ein Gleichdruckverfahren, bei dem die Verdichtung
nur zum Teil oder gänzlich ohne mechanisch angetriebenen Verdichter erfolgt, was
besonders für kleine Maschinenleistungen von großem Vorteil ist. Der Druck im Kreislauf,
bestehend aus den Teilen 5, 8, 1o, 14 und 29, ist bei einer gegebenen Kaltgasmenge
und -temperatur bestimmt durch die Temperatur in der Brennkammer bzw. in der Kammer
z" und der durch die Leitung 15 abgegebenen Gasmenge. Der Druck steigt mit zunehmender
Temperatur in der Brennkammer und mit abnehmender Gasmenge durch die Leitung 15.
Bei geringer Gasentnahme durch die Kraftmaschine 16 steigt der Druck wesentlich
über den Druck, der durch das Temperaturverhältnis des heißen Gases zum kalten Gas
erzielt werden könnte. Diese Eigenart des Verfahrens ist besonders wertvoll bei
Verwendung einer Kolbenmaschine als Kraftmaschine, vor allem in Fahrzeugen. - Bei
gleichbleibender kalter Gasmenge sinkt bei abnehmender Drehzahl der Kolbenmaschine
die Gasentnahme aus der Leitung 15, damit steigt der Druck im Kreislauf und damit
das von der Kolbenmaschine erzielte Drehmoment. Durch dieses Verhalten wird bei
gleichbleibender Füllung das Drehmoment der Kolbenmaschine an die besonderen Erfordernisse
der Fahrzeuge angepaßt, so daß besondere Stufengetriebe überflüssig werden.
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Das Verfahren ist nicht auf einen Gasturbinenprozeß beschränkt, sondern
kann immer angewendet werden für Prozesse, die unter höherem Druck und Temperatur
oder Volumenvermehrung arbeiten, z. B. zum Aufladen von Flugmotoren beim Flug in
größerer Höhe. Die Anwendung des Verfahrens auf die Rufladung von Motoren wird an
Hand der Abb. 2 beschrieben.
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Die Kammern 40a bis 40- sind in gleicher Weise wie in Abb. i die Teile
9,11 bis 2m Kammern eines in Pfeilrichtung umlaufenden Rades in der Abwicklung
des Umfanges gezeichnet. Kalte Luft von niedrigem Druck wird mit dem Staudruck aus
dem Fahrtrind durch die Offnüng 41 und die Leitung 42 entnommen und der Kammer 40a
zugeführt, aus der die darin befindlichen heißen Abgase durch kalte Luft verdrängt
werden. Die heißen Abgase verlassen die Kammer 40a durch die Leitung 4.4 und werden
durch einen Strahlapparat entgegen der Flugrichtung zur Erhöhung des Vortriebes
ausgestoßen. Bei der Fortbewegung in Pfeilrichtung wird die Kammer 40 in der Stellung
40b bis 40" von den aus den Kammern 407 bis 40m expandierenden Gasen durch die Leitungen
52, 53 und 54 verdichtet. In der Stellung 4o9 wird die Kammer in den Kreislauf,
bestehend aus der Leitung 46, dem Verdichter 47, dem Motor 48 und den Leitungen
49 und 5o, eingeschaltet. In diesem Kreislauf besorgt der Verdichter 47, der zweckmäßig
mit dem Motor gekuppelt ist, den Gasumlauf, wobei durch die Leitung 46 die verdichtete
Luft angesaugt und dem Motor zugeführt wird, während die Auspuffgase des Motors
durch die Leitungen 49 und 5o die Kammer 4o9 füllen.
Um zu verhindern,
daß der Verdichter 47 durch die Leitung 46 auch heiße Auspuffgase aus der Kammer
401' ansaugt, wird der Vorgang durch die Steuerkanten an den Stirnwänden des Zellenrades
so gesteuert, daß in die Leitung 46 nur ein Teil der verdichteten Luft strömt, der
mit den heißen Abgasen noch nicht in Berührung gekommen ist. Der restliche Teil
der verdichteten Luft, vor allem die Grenzschicht zwischen den heißen Abgasen und
der kalten verdichteten Luft, verläßt das Zellenrad aus der Kammer 4o71 durch die
Leitung 56 und wird von heißen Abgasen durch die Leitung 51 verdrängt. Durch die
Leitung 56 strömt also ein größeres Gasgewicht mit niedriger Temperatur als durch
die Leitung 51. Dieses Gasgemisch kann noch zur Energiegewinnung durch eine Abgasturbine
oder auch Rückstoßdüse, wie in Abb. 2 dargestellt, ausgenutzt werden. In der Rückstoßdüse
45 wird zweckmäßig auch das Gas aus der Kammer 4o11 abgesaugt. Das größere Gasgewicht
von niedriger Temperatur ist für den Wirkungsgrad und die Leistung des Rückstoßes
besonders günstig. Die Anordnung kann auch, wie in Abb. 3 dargestellt, derart ausgeführt
werden, daß die in Kammer 40-q verbleibende verdichtete Luft (Restluft), die durch
die Berührung und Durchwirbelung mit den Abgasen aufgeheizt ist, zur Verdichtung
kalter Luft in den Zellen 40b bis 40" verwendet wird. Diese Restluft strömt durch
die Leitungen 57 und 58 in die Kammern 40b und 40' und verdichtet die dort befindliche
Luft. Dadurch wird erreicht, daß die heißesten Gase nicht mit der zu verdichtenden
Luft in Berührung kommen, so daß die Aufheizung der Luft geringer wird.
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Durch das beschriebene Verfahren kann die Vorverdichtung von Motoren
durchgeführt «#erden, ohne daß eine Abgasturbine oder ein Verdichter für das ganze
Druckverhältnis benötigt wird.. Es kann sogar zusätzlich zur Verdichtung der Luft
noch Leistung ge= Wonnen werden durch Ausnutzung der Energie der Restluft in einer
Turbine oder in einer Rückstoßdüse.
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Um eine zu starke Mischung zwischen dem heißen Gas und dem zu verdichtenden
kalten Gas zu vermeiden, ist es zweckmäßig, in die Kammern 4011 bis 40"x bewegliche
Trennwände einzubauen, wie an dem Beispiel einer Kammer in Abb. 4 dargestellt. In
der Kammer 4o bewegt sich auf einer Führungsstange 6o ein möglichst leicht ausgebildeter
Kolben 62. Dieser Kolben wird von den Druckunterschieden zwischen den beiden Gasseiten
bewegt. Um die Bewegung des Kolbens 62 zu begrenzen, sind an den Enden der Führungsstange
6o Federn 64 angeordnet, um die Bewegung federnd zu bremsen und Schläge zu vermeiden.
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Zur Steigerung der Nutzleistung einer Kraftmaschine nach dem beschriebenen
Verfahren ist es vorteilhaft, den bei der Kühlung der Maschinenanlage oder der Kühlung
des Abgases erzeugten Dampf unter dem Druck des höchsten Gasdruckes dem Prozeß zuzuführen,
da dadurch sowohl das erzielbare Druckgefälle als auch die Gas- bzw. Dampfmenge
steigt.
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Im vorstehenden ist ein Verfahren beschrieben, durch das ein kaltes
Gas mit Hilfe von Wärmezufuhr auf einen höheren Druck gebracht wird. Das Verfahren
kann sinngemäß auch für den umgekehrten Vorgang., nämlich daß ein heißes Gas mit
Hilfe von Wärmeentzug auf einen tieferen Druck gebracht wird, angewendet werden.