-
Als Turbine oder Kolbenmaschine ausgebildete Verbrennungs-und Dampfkraftmaschine
Die bekannten Wärmekraftmaschinen, besonders die Verbrennungsmaschinen, leiden an
einem inneren Widerspruch. Einerseits soll möglichst viel Wärme in Arbeit umgesetzt
werden, andererseits werden wichtige Maschinenteile, 'wie Arbeitszylinder und -kolben,
nicht nur nicht wärmeisoliert, man umgibt sie sogar mit einem guten Wärmeleiter.
-
Es wurde schon vorgeschlagen, den Arbeitszylinder und Kolbenkopf mit
hitzebeständigem, die Wärme nicht leitendem Material zu isolieren, wie etwa Porzellan,
Asbest, Carborundum u. ä.
-
Diese Vorschläge berücksichtigen aber nicht, daß der Verlarennungsraum
unserer heutigen Verbrennungsmaschinen zugleich Arbeitsraum ist und dazu noch ein
Arbeitsraum von höchster Präzision. Das dafür verwendete Material verträgt aber
auch nicht annähernd diese durch eine Isolierung an sich erzielbaren höheren Temperaturen.
Es muß deshalb im Gegenteil, wie schon erwähnt, durch die Kühlung Wärme abgeführt
«erden.
-
Würde die Verbrennung in einem wärmeisolierten Raum kontinuierlich
bei Überdruck erfolgen, so würden zweifellos bei geringerem Kraftstoffverbrauch
Temperaturen erzielt werden, die weit höher liegen als die, welche in den heutigen
Verbrennungsmaschinen herrschen.
-
Andererseits kann infolge der ganzen Anordnung der in Frage kommenden
Maschinenteile eine gute Ausnutzung der abgeführten Wärme im Kühlwasser auch nicht
erfolgen. Schon der Name Abwärme deutet auf die untergeordnete Bedeutung hin, die
diese gespeicherte Wärme einnimmt. Dabei erreicht sie zusammen mit den Abgasen fast
zwei Drittel der gesamten entwickelten Wärme.
-
Diese Tatsachen lassen es ratsam erscheinen, einen Weg zu beschreiten,
der eine rationellere
Gesamtwirkung verspricht. Wasser ist in der
Lage, durch Wärmeaufnahme nutzbar zu machende Arbeit zu entwickeln, und das bei
Temperaturen, die die Verbrennungsgase, wie oben erwähnt, nicht nur abgeben können,
sondern sogar abgeben müssen, um zur Arbeitsleistung brauchbar zu werden. Das trifft
in noch höherem Maße zu, wenn man den thermischen Wirkungsgrad der Verbrennung durch
die erwähnten Mittel der Isolierung und Spannung und Kontinuität noch steigert.
-
Die Wärme also, die das Wasser zuwenig hat, die haben die Verbrennungsgase
zuviel. Es liegt deshalb nahe, diesebeidenKraftentfaltungsverfahren so miteinander
zu verbinden, daß sie sich auf einem mittleren Temperaturniveau treffen.
-
Das Verfahren ist also einmal ein Verbrennungsverfahren, dann aber
auch ein Dampfbildungsverfahren, und zwar unter Bedingungen, die im folgenden dargelegt
«-erden.
-
Zunächst sei das Verbrennungsverfahren erörtert. Verbrennungsraum
und Arbeitsraum (Turbine oder Kolben) müssen getrennt werden, um die Verbrennung
unter den günstigsten thermischen Bedingungen vollziehen zu können (höchster Druck,
höchste Temperatur, Kontinuität). Der Verbrennungsraum muß unter hohem Druck stehen.
Die Verbrennung ist eine kontinuierliche. Der Verbrennungsraum ist mit hitzebeständigem,
die Wärme nicht leitendem Material isoliert. Zwischen Verbrennungsraum und Arbeitsraum
(Turbine oder Kolben) befindet sich eine mehr oder weniger große Anzahl von Kammern
oder Zellen, durch die das Verbrennungsgas vor Eintritt in den Arbeitsraum (Turbine
oder Kolben) hindurchgeleitet wird. Diese Kammern oder Zellen haben ein mehr oder
minder großes Spannungsgefälle zum Arbeitsraum (Turbine oder Kolben) hin. Die Anzahl
der Kammern ergibt sich aus dem Streben, die Verbrennungsgase erst dann in den Arbeitsraum
(Turbine oder Kolben) eintreten zu lassen, wenn sie eine Temperatur erreicht haben,
die eine besondere Kühlung des Arbeitsraumes (Turbine oder Kolben) .nicht mehr notwendig
macht. Als Verbrennungsmaterial kämen wohl alle gasförmigen und flüssigen Brennstoffe
in Frage, die bei den heutigen Verbrennungsmaschinen Verwendung finden, darüber
hinaus aber infolge der günstigen Verbrennungsbedingungen (Druck, Temperatur) wohl
auch Schweröle, wie z. B. Teeröle, die in den Dieselmaschinen nicht brennen. Diese
Brennstoffe müßten in den Verbremiungsraum, ähnlich wie beim Dieselverfahren, eingepumpt
werden. Darüber hinaus müßte auch der notwendige Sauerstoff in Form von Luft, wahrscheinlich
zweckmäßiger in Form von flüssigem Sauerstoff, eingepumpt werden. Diese zusätzliche
Kompressionsarbeit, besonders auch im Hinblick auf den großen Druck im Verbrennungsraum,
erfordert zusätzliche Arbeit. Aber wenn der Wirkungsgrad des Verfahrens als Ganzes
gesteigert wird, fällt diese Mehrarbeit nicht entscheidend ins Gewicht.
-
Dazu kommt, daß die Einspritzpumpen wahrscheinlich sehr einfach sein
können, weil die Verbrennung zweckmäßig eine kontinuierliche ist, und die kontinuierliche
Verbrennung wiederum steigert, wie schon erwähnt, den thermischen Wirkungsgrad.
Als Ventilregulierung zwischen den einzelnen Druckkammern käme wohl,das Drosselventilsystem
in Frage. Die Verbrennung erfolgt durch Selbstzündung.
-
Nun sei dasDampfbildungsverfahren beschrieben. Der Dampf für eine
Turbine soll vor Eintritt hohe Spannung, vollkommene Überhitzung und trotzdem eine
verhältnismäßig niedere Temperatur haben. Wenn die bestehenden Kessel aber eine
hohe Spannung haben, so müssen sie dem Dampf eine hohe Temperatur geben, um ihn
zu überhitzen, nachdem durch den hohen Verdampfungsdruck die Siedetemperatur des
Wassers und damit der Sättigungsgrad des Dampfes erheblich gestiegen ist.
-
Wasser nimmt um so mehr Wärme auf, je größer der Druck ist, unter
dem es steht. Bei Dampf, gesättigt oder überhitzt, ist es gegenteilig. Daraus folgt
die Zweckmäßigkeit, Wasser im Kessel unter hohen, Dampf aber unter geringeren Druck
zu setzen und bei Dampf noch druckfallend in den einzelnen Kammern oder Zellen im
umgekehrten Verhältnis zur Überhitzung. Das kann durch einen Kessel erreicht werden,
der in eine mehr oder minder große Anzahl von Kammern zerfällt, die, als Ganzes
gesehen, ein Spannungsgefälle zur Arbeitsturbine (oder Kolben) hin aufweisen und
etwa durch Drosselventile miteinander verbunden sind. Eine derartige Vorrichtung
könnte als ein Mehrdruckkessel bezeichnet werden. Dadurch ist es möglich, die Zustandsänderungen
von Wasser und Wasserdampf unter Druckbedingungen sich vollziehen zu lassen, die
für die Wärmeaufnahmefähigkeit unter Berücksichtigung des oben Dargelegten die jeweils
günstigsten sind. Dadurch wird es auch ermöglicht, vollkommen überhitzten Dampf
bei verhältnismäßig niederen Temperaturen zu erhalten, auch wenn der Kesseldruck
ein hoher ist, weil sich der hohe Kesseldruck auf die Kammern beschränkt, die ganz
oder zum größten Teil mit Wasser gefüllt sind, während die Dampfkammern, besonders
diejenigen vor der Turbine (Kolben), deren Dampf überhitzt werden soll, eine mehr
oder minder große Drucksenkung aufweisen. Da genügt dann eine verhältnismäßig niedere
Temperatur zur vollkommenen Überhitzung. Trotz des scheinbaren Spannungsverlustes
wäre der größte Teil der Wärme in Arbeit umgesetzt, weil im Arbeitsmittel bei hohen
Drücken und Temperaturen verhältnismäßig nur geringe Wärmeeinheiten enthalten sind.
-
Die Verbrennungsturbine ist, wie oben dargelegt, vom Verbrennungsraum
bis zur letzten Kammer oder Zelle vor der Turbine (Kolben) zugleich Feuerungsraum
in dem eben dargelegten Dampfbildungsverfahren.
-
Der Mehrdruckdampfkesseldieses Dampfbildungsverfahrens ist zugleich
Kühlmantel des Verbrennungsverfahrens und umgibt also den Verbrennungsraum mit den
nachfolgenden Druckkammern als wärmeaufnehmender, also kühlender Mantel.
-
Beide Verfahren greifen also in dem dargelegten zusammengesetzten
Verbrennungs- und Dampfturbinenverfahren
ineinander ein und haben
also jeweils eine doppelte Funktion.
-
Beide Verfahren lassen sich aber auch je für sich allein denken. Beim
Verbrennungsverfahren wären in diesem Falle neben dem Verbrennungsraum auch die
nachfolgenden Kammern vor dem Arbeitsraum (Turbine oder Kolben) vielleicht zweckmäßig
hitzebeständig zu isolieren, weil eine Abkühlung der Gase bis zu einer arbeitsfähigen
Temperatur herunter möglichst ohne Wärmestrahlung und hauptsächlich durch Nutzbarmachung
des Thomson-Jouleschen Effektes der Entspannungsabkühlung ohne äußere Arbeitsleistung
herbeigeführt werden müßte, was wahrscheinlich zur Folge hätte, daß sich die Zahl
der erwähnten Kammern oder Zellen vermehren müßte. Auch das Dampfbildungsverfahren
ist für sich allein denkbar. Es wären insbesondere auch andere Flüssigkeiten als
Wasser denkbar, z. B. niedrigsiedende Flüssigkeiten oder Zweistoffgemische, wie
z. B. Wasser und Ammoniak.
-
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben.
-
Sauerstoff undBrennstoff werden durch dieHochdruckspeisepurnpen
A und Aa nach dem Verbrennungsraum B gepumpt. Hier verbrennen sie unter Erreichung
einer Spannung von 3oo Atm. und 2200° C bei Selbstzündung. Durch ein Drosselventil
gelangen die Gase in Kammer C und von da in die Räume D, E und F unter Abkühlung
durch Wärmeabgabe an die Wasser- und Dampfkammern, von denen die Verbrennungskammern
ringförmig als Kühler umschlossen werden. Vom Raum F strömen die Gase in die Turbine
G, nachdem sie eine für die Turbine erträgliche Temperatur erreicht haben, und entweichen
dann durch den Austritt H.
-
Die Speisepumpe Al pumpt Kesselspeisewasser in die erste Kammer Bi
des Dampfkessels, die bei ioo Atm. Druck höchstens bis 309'C Temperatur erreichen
darf, um das Wasser als Flüssigkeit zu erhalten, was in der ersten Kammer oder in
den ersten Kammern beabsichtigt ist. Von hier gelangt das Wasser in die Kammer Cl
durch ein Drosselventil bei 6o Atm. Spannung und weiter in die Räume Dl, El und
schließlich in den Raum F1. Das Wasser oder der Dampf haben inzwischen den Verbrennungsgasen
große Wärmemengen abgenommen und sich dabei auf eine Temperatur von etwa 300°C in
der Kammer F1 erhöht, mit der es bei --o Atm. Spannung stark überhitzt in der Turbine
G1 expandiert. Die Kondensation erfolgt dann in der Vorrichtung Hl, und bei Al beginnt
der beschriebene Kreislauf von neuem. In beiden Fällen erfolgt eine Kühlung des
Arbeitsraumes nicht mehr, weil Dampf und Verbrennungsgase erst mit einer erträglichen
Temperatur eintreten, die eine besondere Kühlung nicht mehr erfordern.