DE932940C

DE932940C - Aus einem Verdichter und einer Kolbenmaschine bestehende Kraftmaschine

Info

Publication number: DE932940C
Application number: DEH14339A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl-Ing Herrmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1952-11-04
Filing date: 1952-11-04
Publication date: 1955-09-12

Description

Aus einem Verdichter und einer Kolbenmaschine bestehende Kraftmaschine Es ist ein Kolbenmotor bekanntgeworden, der mit geschlossenem aufgeladenem Kreislauf des Arbeitsmittels mit flüssigem oder festem Brennstoff unter Wiedergewinnung der Abwärme betrieben wird. Bei demselben werden drei Wärmetauscher verwendet. Im ersten wird die komprimierte Kreislaufluft durch die in ihm verbrannte Außenluft auf die höchste Temperatur gebracht, mit der sie dem Kolbenmotor zuströmt, während in einem zweiten Wärmetauscher die aus dem ersten abströmende verbrannte Außenluft die Restwärme an die aus der Atmosphäre zuströmende Frischluft zwecks Wiedergewinnung abgibt. In einem dritten Wärmetauscher wird der Wärmeinhalt der noch heißen Abluft des Kolbenmotors zwecks Rückgewinnung an die komprimierte gekühlte Kreislaufluft übergeführt, bevor diese in den ersten Wärmetauscher eintritt. Mit den Kühlern für die komprimierte Kreislaufluft ist somit die Zahl der Wärmeapparate und damit der Wärmeverlust sehr groß. Der zweite Wärmetauscher arbeitet besonders ungünstig, da beide Seiten mit Gas von atmosphärischem Druck bespült werden.
Die Erfindung betrifft eine aus einem Verdichter und einer Kolbenmaschine bestehende Kraftmaschine mit geschlossenem Kreislauf eines gasförmigen Arbeitsmittels und Rückgewinnung der Abwärme des Arbeitsmittels, wobei das vom Verdichter zur Kolbenmaschine strömende vorgewärmte Arbeitsmittel in einem ersten Wärmeaustauscher durch Außenluft aus der Atmosphäre, die mit Brennstoff verbrannt wird, erhitzt wird und die Außenluft aus der Atmosphäre vor Eintritt in diesen ersten Wärmeaustauscher in einem vorgeschalteten zweiten Wärmeaustauscher vorgewärmt wird.
Nach der Erfindung-ist der der Vorwärmung der Außenluft dienende zweite Wärmeaustauscher derart angeordnet, daß die Außenluft durch das nach Arbeitsleistung aus der Kraftmaschine austretende im Kreislauf geführte Arbeitsmittel. vorgewärmt wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Kompressor K, die Kolbenmaschine A, die beiden Regeneratoren B und C mit den verbindenden Rohrleitungen und dem eingebauten Kühler D bilden einen geschlossenen Kreislauf, der durch die Ladepumpe G- auf dem erhöhten Ladedruck p. gehalten wird. Der Kompressor preßt die Luft vom Ladedruck p. auf den Druck p1, wobei das Druckverhältnis p1 : po niedrig, etwa gleich 4 bis 1o, der Ladedruck po aber beliebig hoch, etwa gleich 6 ata mit Rücksicht auf eine einfache Ladepumpe G, gewählt werden kann. Der Kompressor wird im allgemeinen selbsttätige, die Kolbenmaschine gesteuerte Ventile a und c besitzen, welche Expansionsanfang und Ende regeln. Zwecks Wiedergewinnung der Abhitze wird der Regenerator C auf der einen Seite von den heißen auf p. entspannten Abgasen (Abluft) der Kolbenmaschine von der Temperatur t4, auf der anderen Seite im Gegenstrom von der etwa durch natürlichen Zug umgewälzten Außenluft von der Temperatur to beaufschlagt. Die letztere wird dadurch von der Temperatur to auf die Temperatur t4 vorgewärmt, wenn Verluste zunächst außer Betracht bleiben. Sie strömt weiter in den Regenerator B, wobei ihr zu der regenerierten Abhitze Q, noch die Zusatzwärme Q" durch Öl- oder Kohlenverbrennung mittels der Düse F oder auf dem Rost E zugeführt und ihre Temperatur auf t2 gesteigert wird. Im Regenerator B überträgt dann die Außenluft die Abgaswärme auf die mit der Temperatur t1 und dem Druck p1 vom Kompressor K geförderte Druckluft, die im Gegenstrom, abgesehen von Verlusten, die Temperatur t2 annimmt, den Zylinder der Kolbenmaschine A bei Hubbeginn füllt, um dort adiabatisch auf t. zu .expandieren und mit t4 den Regenerator C von neuem zu beaufschlagen. Mit der Temperatur t1, strömt die Außenluft als Abgas ins Freie.
Auf dem Wege vom Regenerator C zum Kompressor K passiert die Druckluft den Kühler D, wo sie gegebenenfalls auf to zurückgekühlt wird, um die Kompressionsarbeit von po auf p1 gering zu erhalten.
Es kann auch ein besonderer doppelt wirkender Kompressor und ein ebensolcher Motor vorgesehen werden. Auch kann der Kraftmaschinenzylinder selbst, mit vier Ventilen versehen und im Viertakt arbeitend, gleichzeitig als Kompressor dienen, indem ein Doppelhub zum Ansaugen und Komprimieren der Preßluft, ein zweiter zur Expansion und Ausstoßen in den Regenerator C vorgesehen wird.
Die Kraftmaschine arbeitet wie folgt: Beim Einwärtshub des Kolbens wird der Zylinder durch das gesteuerte Füllventil a mit der vom Kompressor K auf den Druck p1 gepreßten und auf die Temperatur t2 im Regenerator B erhitzten Luft bei Hubbeginn gefüllt, die hierbei und nach Abschluß des Ventils ca auf den Druck p3 und die Temperatur t3 expandierend Arbeit an den Kolben abgibt. Beim Auswärtsgang wird die Luft bzw. das Abgas durch das Auslaßventil c in den Regenerator C ausgestoßen, wobei sie die Temperatur t4 beim Ladedruck p. annimmt. Im Zylinder wird dabei das Indikatordiagramm 0-r-2-3-4 beschrieben und erfahrungsgemäß mit einem Wirkungsgrad von 0,735 A. L., wenn A. L. die indizierte Diagrammarbeit 0-r-2-3-4 bedeutet, in effektive Arbeit umgesetzt, während der Wärmeverlust auf o,1 Qr = 0,1 (Q,, + Q") insbesondere bei Ölfeuerung zu schätzen ist. Eine Rechnung für t2 = 65o° C, po = 6 ata, to = 30° C, p1 = 36 ata ergibt p, = 6,6 at, 77w = 25,8 °(u, und für t2 = 80o° C, po = 6 ata, to = 30° C, p1 = 36 ata, ergibt p, = 8,6 at, 77u, = 28,6 %.
In den Zahlen ist außer dem Wärmeverlust o,1 Qr durch Strahlung usw. der Wärmeverlust Q" berücksichtigt, der durch die mit der Temperatur t1 aus dem Regenerator B ins Freie abströmende verbrannte Außenluft in dem Mengenverhältnis 1 kg Außenluft auf 1 kg Kreislaufluft auftritt. Dafür fehlen Kühlwasserverluste, und p1 bzw, t1 werden niedrig gewählt. Der angegebene wirtschaftliche Wirkungsgrad 77, wird konstant bleiben, wenn obiges Verhältnis d durch Drosselung oder Freigabe der Außenluft bei allen Belastungsverhältnissen unverändert erhalten wird.
Es treten bei der Kraftmaschine Regulierungsfragen auf. Die Leistung, der effektive Druck pe, wird am zweckmäßigsten durch automatisches Ablassen oder Stauen des Ladedruckes po z. B. mit Hilfe von Einrichtungen an der Ladepumpe G geregelt. Ein in den Kreislauf hinter dem Regenerator B eingebauter Thermostat hält dabei zweckmäßig die Temperaturen im Kreislauf konstant, indem er die von den Brennstoffpumpen in die Düse F eingespritzte Ölmenge und bei Kohlefeuerung die zuströmende Luft durch Drosselung dem Wärmebedarf anpaßt. Der effektive Druck p, kann dadurch für vorstehende Beispiele bis auf 1,13 bzw. 1,42 at herabgeregelt werden, was für Leerlauf erfahrungsgemäß genügt, während 17, bei allen Belastungen konstant bleibt.
Der technische Fortschritt der Kraftmaschine liegt in der geringen Zahl, der ersichtlichen Einfachheit und geringen Größe der erforderlichen Betriebsmittel sowie in der Übersichtlichkeit und Einfachheit ihrer Wirkungsweise. Die Bauart ermöglicht für einen bestimmten Druck p1 den Höchstwert des effektiven Druckes p, bei einem guten wirtschaftlichen Wirkungsgrad 17, durch Regeneration der Abwärme zu erreichen, die bei den angegebenen niedrigen Druckverhältnissen besonders wirksam ist. Die bekannten Verfahren arbeiten sämtlich mit höheren Druckverhältnissen für den gleichen Druck p1, daher mit niedrigerem effektivem Druck p, Das gleichzeitige Erreichen der Höchstwerte p, und 17, für einen bestimmten Druck p1 ist nicht möglich.
Bei der Beurteilung der mitgeteilten Zahlen bedenke man, daß der Regenerativmotor im Zweitakt arbeitend einen effektiven Druck ergibt, wie ihn kein kompressorloser Dieselmotor bei so niedrigen Drücken p1 erreicht, bei wirtschaftlichen Wirkungsgraden, die von modernen Großdampfturbinen nur unter Aufwand großer Mittel erzielt werden. Als normaler Kolbenmotor bietet er keine konstruktiven Schwierigkeiten. Als Hochdruckmotor gebaut lauten z. B. die Wertziffern für p1 = 9o ata, p. = 15 at, p1 : po = 6, Gestängedruck pl-Po = 75 at, t2 = 8oo° C, p, - 2o at, 77" = 28,6 %.
Es kann bei den Betriebseigenschaften der Kraftmaschine nur eine Frage der Zeit sein, daß sie Gas-und Dampfmaschinen für reine Krafterzeugung verdrängt.
Der Bau der Regeneratoren Bist heute kein Problem mehr, nachdem solche für tausende von Pferdestärken für Verbrennungsturbinen gebaut «.erden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Aus einem Verdichter und einer Kolbenmaschine bestehende Kraftmaschine mit geschlossenem Kreislauf eines gasförmigen Arbeitsmittels und Rückgewinnung derAbwärme des Arbeitsmittels, wobei das vom Verdichter zur Kolbenmaschine strömende vorgewärmte Arbeitsmittel in einem ersten Wärmeaustauscher durch Außenluft aus der Atmosphäre, die mit Brennstoff verbrannt wird, erhitzt wird und die Außenluft aus der Atmosphäre vor Eintritt in diesen ersten Wärmeaustauscher in einem vorgeschalteten zweiten Wärmeaustauscher vorgewärmt wird, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung des der Vorwärmung der Außenluft dienenden zweiten Wärmeaustauschers (C), daß die Außenluft durch das nach Arbeitsleistung aus der Kraftmaschine austretende, im Kreislauf geführte Arbeitsmittel vorgewärmt wird.
2. Kraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ladepumpe (G) den Kreislauf mit Arbeitsmittel unter Spannung gefüllt hält, wobei die Druckleitung der Ladepumpe in die Saugeleitung des Kompressors (K) mündet.
3. Regelverfahren für die Kraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Kraftmaschine durch Ablassen oder Stauen des Ladedruckes p. im Kreislauf geregelt wird, wobei die in den ersten Wärmeaustauscher B eingespritzte Ölmenge und bei Kohlefeuerung die zuströmende Luftmenge durch Drosselung dem Wärmebedarf zur Konstanthaltung der Kreislauftemperaturen angepaßt wird.
4. Regelverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Drosselung oder Freigabe der zuströmenden Außenluftmenge das Verhältnis i kg Außenluft auf i kg Kreislaufluft bei allen Belastungsänderungen unverändert gehalten wird. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 82,1 728, 534 757; »Philips Technische Rundschau«, Mai 1946, S. 129 bis 136; österreichische Patentschrift Nr. 115 547.