-
Einrichtung zur Erzeugung und Nutzbarmachung einer Druckgasströmung
Die Erwärmung eines Druckgases vor seiner Entspannung in Maschinen oder Düsen verfolgte
bisher überwiegend den Zweck, die Schallgeschwindigkeit des Gases und seine Arbeitsfähigkeit
zu erhöhen, indem die Enthalpiedifferenz für das mögliche Entspannungsgefälle vergrößert
wurde. Die vorliegende Erfindung sieht einen weiteren Zweck der Erwärmung vor und
strebt an, diese über das bisher übliche und maschinentechnisch verwertbare Maß
hinaus zu steigern. Das Ziel dieser Maßnahme ist, eine Kühlung des Gases nach der
Entspannung mittels eines Kühlstoffes von etwa Außentemperatur zu bewirken und anschließend
eine Wiederverdichtung des Gases ohne Verwendung maschinenartiger Verdichter zu
erreichen (Strömungs-oder Stoßverdichtung). Wenn es gelingt, einem schnell strömenden
Gas auf kurzem Wege und ohne hohe Strömungsverluste Wärme zu entziehen, so bewirkt
die verbleibende Strömungsenergie infolge der Volumenverminderung durch die Kühlung
ihre selbsttätige Umsetzung in Verdichtungsenergie in einem Diffusor oder mittels
Stoßverdichtung. Da nun aber zur Niedrighaltung der Strömungsverluste relativ kurze
Kühlwege unbedingte Voraussetzung sind, muß das Temperaturgefälle vom zu kühlenden
Gas zu seinen Wänden bzw. zum kühlenden Medium höher als bisher üblich gewählt werden.
Somit muß angestrebt werden, das Gas auch vor seiner Entspannung auf einen bisher
nicht üblichen Temperaturwert zu erhitzen. Auf diese Weise ist es bei normalen Außenraum-
oder Kühlmitteltemperaturen möglich, rein auf thermodynamische Weise in einem stetig
durchgeführten Kreisprozeß ohne Verwendung maschinentechnischer Verdichter
fortlaufend
Arbeitsenergie aus dem Gaskreisprozeß zu gewinnen.
-
Der Kreisprozeß kann auch aus ineinandergeschachtelten Einfachkreisprozessen
bestehen, indem die nach dem ersten Kreisprozeß gewonnene höhere Spannung (höher
als die Ausgangsspannung) nun in einem zweiten Kreisprozeß als eine nur wenig niedrigere
Ausgangsspannung benutzt wird, das Verfahren in entsprechender Weise wiederholt
wird und somit am Ende des zweiten Kreisprozesses eine noch höhere Spannung zur
Verfügung steht. Diese stufenweise Steigerung kann fortgesetzt werden, bis man nach
Ausnutzung der ungefähr höchsten Gasspannung wieder auf die Ausgangsspannung des
ersten Kreisprozesses zurückkehrt und nun von neuem stufenweise hochschraubt. Die
so ohne Maschinen erzeugte Druckgasströmung wird, gegebenenfalls nach weiterer Wärmezufuhr,
in einer Turbine, einer den Dampfmaschinen entsprechenden Kolbenmaschine, zur Schubkrafterzeugung
oder sonstwie zur Arbeitsleistung herangezogen. Die Strömung kann auch zum Blasziehen
von Fäden oder Fasern aus beliebigen anorganischen. oder organischen Spinnstoffen
und geeigneten Metallen dienen. Bei Erzeugung von gespanntem Druckgas wird dieses
in einem Windkessel gespeichert, der zwecks Aufrechterhaltung der Strömung in dem
thermodynamischen Düsenströmungsverd.ichter mit einem Abblaseventil versehen ist,
um einen Druckanstieg über das Nutzgefälle der Strömung und somit deren Aufhören
zu verhindern.
-
Die Inbetriebsetzung des beschriebenen Strömungssystems erfolgt aus
einer Strömungsimpulsquelle, welche für eine kurze Zeit mindestens die gesamten
Strömungsverluste deckt, bis die Heizung und Kühlung in Wirkung tritt und mindestens
die Deckung der Strömungsverluste übernimmt, worauf die Starthilfe stillgesetzt
werden kann.
-
Ein Startverdichter bedarf daher nur einer kleinen Leistung von etwa
einem Viertel der in der Düse entspannten anfänglichen Mindestströmungsenergie,
von welcher aus die Strömung sich bei Entlastung von Gegendruck selbst hochtreiben
kann, wonach die Belastung durch Gegendruck erfolgen kann. Bei geeigneter Anlage
und bei bereits vor Strömungsbeginn eingeschalteter Heizung und Kühlung ist es auch
möglich, den Strömungsanlauf mit einem Verpuffungsstoß, etwa mit einem Schuß aus
einer Patrone oder aus einer Druckflasche, einzuleiten, letzteres insbesondere bei
Kreislaufführung der Gase.
-
Man hat zwar schon Rückstoßantriehe mit aus hintereinandergeschalteten
Düsen und Diffusoren bestehenden Strömungskanälen vorgeschlagen, doch wurde hierbei
den Gasen vor der Verdichtung in dem Diffusor keine Wärme entzogen.
-
Die Zeichnung zeigt in Abb, i einen solchen Düsenströmungserzeuger
in schematischer Darstellung. In den Heizraum i wird die Wärme durch innere oder
äußere Heizung in das Gas eingeführt, so daß es eine Raumvergrößerung erfährt. Es
wird sodann in der Düse :2 durch den dahinter herrschenden Unterdruck entspannt
und beschleunigt, wonach die nach dem adiabatischen Temperaturabfall verbliebene
Restwärme in dem Zwischenraum 3, etwa durch eine Einspritzung von Wasser q. oder
anderen Flüssigkeiten, oder auch durch einen Wärmetauscher 5 möglichst weitgehend
entzogen wird. Damit wird eine Volumenverkleinerung des Gases erzielt, so daß dessen
Rückverdichtungsarbeit erheblich kleiner wird. als die bei der Entspannung in der
Düse :2 erzeugte Geschwindigkeitsenergie. In dem Stoßverdichtungsraum 6, etwa hinter
dem gestrichelt angedeuteten Gitter 7 mit Stoßablöskanten, oder auch in dem Strömungsverdichter
(Diffusor) 8 wird sodann das Gas auf einen größeren Druck als dem vor der Düse a
verdichtet, was durch den Überschuß der größeren Entspannarbeit über die kleinere
Rückverdichtungsarbeit erzielt wird. Bei genügend großem Temperaturunterschied zwischen
i und vor 8 kann daher der Rückverdichtungsdruck auch ein Vielfaches des Anfangsdruckes
erreichen.
-
Die bei dem adiabatischen Temperaturabfall verbrauchte Wärmemenge
kann infolge des größeren Gasvolumens beim Düsendurchgang auch vielfach größer als
die Verdichtungsarbeit des gekühlten Gases sein. Der Strömungsverdichter 8 kann
durch einen eingebauten Wärmetauscherteil 5' oder auch durch eine Einspritzung ¢'
noch auf isothermische oder unterisothermische Verdichtung gebracht werden, womit
ein weiterer Druckgewinn erzielbar ist.
-
Das verdichtete Gas wird nach Abb. i zweckmäßig in eine Druckkammer
g geleitet, welche mit einem entsprechend belasteten Abblaseventil io versehen ist,
das eine Drucksteigerung bis zum Stillstand der Strömung verhindert. Aus dem Druckraum
g kann das Gas dann in einer beliebigen Arbeitsmaschine, Turbine ii oder Kolbenmotor
1a, nutzbringend entspannt oder sonstwie verwendet werden, wobei eine Erwärmung
des Gases auf bei diesen Maschinen anwendbare Temperaturen vorgesehen sein kann.
Beim Start der Anlage wird das Abblaseventil io geöffnet, so daß bei in Kraft gesetzter
Heizung und Kühlung (-E- Q, - Q1, - Q2) die Strömung nach Einleitung durch
einen Anfangsimpuls leicht vorn selbst in Gang kommt und sich bis zum Abblasedruck
des Ventils io hinauftreibt, wonach sie freigelassen oder nutzbar gemacht wird.
Die Bewegung oder die Abblaseströmung des Ventils io kann gleichzeitig zur Einleitung
der notwendigen Regelungsvorgänge im Strömungsverdichter bei veränderlichem Bedarf
der Entspannungsmaschinen dienen. Die aus den Entspannungsmaschinen bei äußerer
Heizung entweichende noch warme Abluft kann anschließend zur Verbrennung gebraucht
werden. Es ergibt sich dabei eine gleichmäßige Aufheizung der Luft in i, weil die
Verbrennungsluftmenge zur Erhitzungsluftmenge im selben Verhältnis bleibt. Die Regelung
kann sich dann bei Heizung mit festen Brennstoffen auf eine Drosselung der angesaugten
Frischluft beschränken. Bei einer Regelung auf konstanten Druck ist der Düsenkanal
dagegen mehrfach parallel zu unterteilen, so daß die einzelnen Kanäle für sich zu-
oder abgeschaltet werden können.
Die Abgase nach der Heizkammer
i werden noch über den Zwischenerhitzer zwischen Druckkammer 9 und Maschine i i
oder i2 geleitet. Die zweimalige Wärmeabgabe Q (- Q1, - Q2) und
Q' läßt bei den anwendbaren Baustoff temperaturen einen mäßigen Verbrennungsluftüberschuß
anwendbar sein, so daß die Anlage günstig arbeitet.
-
In dem Pv-Diagramm nach Abb.2 wird dem Gas vom Zustand i Wärme bei
gleichem Druck bis 2 zugeführt, wonach es adiabatisch oder mit Nachverbrennung in
der Düse bis 3 entspannt, worauf von 3 bis q. die Wärme Q1 abgeführt und das Gasvolumen
verkleinert wird. Die Verdichtung in dem Diffusor kann dann bis zum Punkt 5 erfolgen,
bis die von den Zustandslinien eingeschlossenen positiven und negativen Arbeitsflächen
gleich sind. Der Druck 5 ist um so höher, je weitgehender die Wärme Q1 und die Rückverdichtungswärme
Q2 entzogen werden.
-
Aus Abb. 3 ist die nach dem Pv-Diagramm zwischen den Punkten 5", 6,
7, 8" bei der Entspannung in der Turbine oder im Kolbenmotor i r, 12 gewinnbare
Arbeit ersichtlich. Die Fläche 5, 6, 7, 8, 5 ist durch zusätzliche Erwärmung in
der Druckkammer 9 zu 5", 5, 8, 8", 5" gewinnbar. Die Maschinen i i, 12 sind hierbei
von jeder Verdichtungsarbeit entlastet, und eine laufende Verdichtungsmaschine ist
nach dem beschriebenen Verfahren überhaupt entbehrlich gemacht.
-
Nach Abb. q. kann die Drucksteigerung stufenweise in mehreren solchen
hintereinandergeschalteten Düsenverdichtern mit Wärmezu- und -abfuhr bewirkt werden,
wenn man in den anwendbaren Temperaturgrenzen und Höchstgeschwindigkeiten des Gases
beschränkt ist.
-
In Abb. 5 ist die Verwendung eines solchen thermodynamischen Strömungserzeugers
zum Blasziehen von Fäden oder Fasern aus beliebigen organischen oder anorganischen
Spinnstoffen und auch von Metallen schematisch dargestellt. Die Glasfasern fließen
hierbei vor der Düse 2 in die danach sich entspannende Strömung ein und werden sodann
mit den Gasen gemeinsam beschleunigt und ausgezogen, wonach sie in der Kammer 9
aufgefangen werden, während die Gase im Kreislauf Weiterfließen können. Mit der
Hilfsdüse 13 kann die Strömung durch einen Druckgasschuß in Anlauf gesetzt werden,
worauf sie sich durch die thermodynamische Wirkung selbst hochtreibt und aufrechterhält.
Es ist gegebenenfalls bei hohen Temperaturen und Verdichtungsüberschuß noch eine
nutzbringende Entspannung der Gase zwischen 9 und i anwendbar. Die Wärmeabfuhr von:
Q1 und. Q2 kann wegen der Fasern jedoch nicht mit einem Wärmetauscher erfolgen,
sondern wird durch Einspritzung von geeigneten Flüssigkeiten vorgenommen, welche
sodann in 9 mit bekannten Einrichtungen: abgeschieden werden und nach Rückkühlung
wieder verwendbar sind. An Stelle der Flüssigkeitseinspritzung könnte auch der Strömungskanal
für die Abführung der Wärmemenge Q, und Q2 besonders lang ausgeführt werden, so
daß eine Übertragung der Wärme an die gekühlten Wände 3 und 8 möglich ist, besonders
wenn eine Stoßverdichtung mit starker Turbulenz stattfindet.
-
Es lassen sich die verdichteten heißen Gase naturgemäß auch bei anderen
bekannten Blasziehverfahren benutzen, bei denen Glasströme von bereits entspannten
Gasstrahlen schräg oder quer angeblasen werden.
-
Die Anfangsspannung in 2 und die Spannung in 9 brauchen nur um das
Druckgefälle für die Strömungsverluste unterschiedlich zu sein. Die thermodynamische
Strömungserzeugung kommt daher hierfür, besonders bei Wasserstoffbetrieb, mit mäßigen
Temperaturen aus, welche auch für organische Stoffe erträglich sind, so daß auch
organische Fasern mit dem thermodynamischen Strömungserzeuger herstellbar sind.
-
Bei Einspritzung von Flüssigkeiten können diese auch dazu dienen,
ein Zusammenkleben der einzelnen Fasern oder Fäden zu verhindern, und es ist bereits
eine Benetzung von Glasfäden hierfür bekanntgeworden. Andererseits kann es jedoch
erwünscht sein, daß eine stellenweise Verklebung der Fasern eintritt, insbesondere
wenn die Fasern zur Herstellung von Preßstoffen als Formkörper oder von Filzen oder
ähnlichen Erzeugnissen dienen sollen. Hierfür kann eine besonders starke Turbulenz
der Strömung in dem Düsenverdichterkanal günstig sein, was mit Hilfe einer absichtlich
herbeigeführten Stoßverdichtung mittels die Strömung störenden Kanten oder Einengungen
erzielbar ist.
-
Abb.6 gibt einen thermodynamischen Strömungserzeuger für den Antrieb
von Flugzeugen oder sonstigen Fahrzeugen wieder, wobei am besten eine innere Heizung
mit in i eingespritztem oder eingeblasenem Brennstoff erfolgt. Die Wärmeabfuhr vor
und. nach Rückverdichtung in 3 und 8 kann im Fluge nur durch Abwärmerückführung
mittels des Wärmetauschers 5, 5' geschehen, was aber für geringsten Brennstoffaufwand
sowieso nötig ist. Der Wärmetauscher 5, 5' kann mit den erforderlichen Flächen eingebaut
und angewendet werden, weil hierfür das erübrigte bisherige Triebwerksgewicht zur
Verfügung steht. Dieser Düsenströmungserzeuger wird ferner zweckmäßig möglichst
weitgehend von Trag- und Rumpfflächen des Flug- oder Fahrzeuges begrenzt.
-
Bei überkritischer Geschwindigkeit wird durch Entzug der Wärme in
der Strecke 3 über der durch Reibung erzeugten die Stabilität der Strömung aufrechterhalten
und so die erreichbare Endgeschwindigkeit bei gleichbleibendem Querschnitt durch
Druckabsenkung gesteigert. In der kurzen wulstförmigen Einengung 6 oder mittels
eines Gitters zum Diffusor 8 geschieht sodann die Stoßverdichtung mit Umschlag der
Strömung in unterkritische Geschwindigkeit. Diese wird in der Diffusorerweiterung
8 in einer weiteren Stufe in Druck bis zur Auslaßspannung umgewandelt. Das Auslaßende
A von 8 ist für den Wärmetauschereingang E zweckmäßig mit Umlenkflächen versehen,
die den Lufteinlaß mit Stauausnutzung bewirken.
Abb. 7 gibt eine
solche Einrichtung als Starthilfe für Seeflugzeuge wieder, wobei durch Wassereinspritzung
eine weitgehende Bindung der Wärme und Verkleinerung des Diffusorvolumens sowie
eine Ersparung der Wärmetauscher erreicht wird. Der thermische Wirkungsgrad ist
hierbei zwar geringer als bei Abwärmerückführung, doch spielt dies bei einer Starthilfe
keine Rolle. Das Einspritzwasser wird hierbei zweckmäßig durch den Fahrtstaudruck
und den Unterdruck der Gasströmung gefördert. Die Anlage wird zweckmäßig unter weitgehender
Heranziehung vorhandener Flächen am Flugzeug und Schwimmer eingebaut. Es entsteht
ein Schub als Überschußdruck auf die Diffusorprojektionsringfläche. Durch Stauabsaugung
kann auch der Widerstand vermindert werden, was den nötigen Schub verkleinert.
-
Gegenüber dem gewöhnlichen Rückstoßstrahldüsenantrieh isst ein besserer
Fahrtwirkungsgrad erzielbar, da die Diffusoraustrittsgeschwindigkeit der Fahrtgeschwindigkeit
gut angenähert werden kann, ohne daß andererseits zu ungünstige Druck-und Temperaturverhältnisse
angewendet werden müßten, wobei auch Mischungsverluste und Maschinenumsetzungsverluste
vermieden sind. Immerhin werden hohe Druck- und Temperaturverhältnisse anzustreben
sein, so daß der Antrieb besonders für schnelle Flugzeuge geeignet sein dürfte.
-
Bei Verwendung des Strömungserzeugers zum Kraftwagenantrieb wäre eine
erhebliche Vereinfachung und Betriebskostenersparnis erzielbar, da eine äußere Heizung
ohne vorherige Vergasung mit beliebigen, billigen stückigen Brennstoffen, auch Kohlen-
oder Pflanzenstaub erfolgen kann. Die von dem Druckgas aus 9 gespeiste Kolbenmaschine
kann bei vermehrter Füllung mit größerer Kraft arbeiten und bedarf bei mehreren
versetzten Zylindern keines Schwungrades, keines Anlassermotors, keiner Kühleinrichtung
und nur eines einfachen Getriebes nebst Zündanlage. Man erhält auch sofortige Anzugsfähigkeit
vom Stillstand aus wie bei Dampflokomotiven, wobei die Strömung durch den Düsenverdichter
mittels des Abblaseventils io in der Druckkammer 9 aufrechterhalten wird.
-
Der Antrieb kann mittels der Abblasekammer 9, io auch bei einer Turbine
vom Stillstand aus erfolgen, welche jedoch für die kleinen Leistungen eines Kraftwagens
schwierig mit gutem Wirkungsgrad zu bauen ist. Bei einer Lokomotive wäre dagegen
die Turbine hierfür groß genug.
-
Bei innerer Heizung der Strömungsluft in i vor der Düse 2 mit Kohlen-
oder Pflanzenstaub kann die Abscheidung der unverbrennlichen Staubreste vor der
Düse 2 oder auch in der Druckkammer 9 vor der Turbine oder vor der Kolbenmaschine
erfolgen. In letzterem Fall ist der Staub aus der Druckkammer 9 in Verbindung mit
dem Abblaseventil io leicht selbsttätig zu entfernen.