DED0000892MA - Heißluftmaschinenanlage - Google Patents

Description

Gasturbinenanlagen bei denen Luft aus der freien Luft angesaugt, komprimiert, unter Verwendung flüssiger oder fester Brennstoffe erhitzt und nach Abgabe ihrer Energie hinter der Turbine, mit Brenngasen vermischt, wieder ins Freie ausgestoßen wird, bei denen also nachteilige Wirkungen der Verbrennung fester Brennstoffe auf die Maschinenanlage nicht eintreten, sind bekannt.

Diesen Anlagen ist aber eigentümlich, daß sie getrennte Aggregate für das Komprimieren der Luft und für die Ausnutzung der Heißgase (Turbine) benötigen. Bei Anwendung einer Kolbenmaschine lassen sich die Funktionen des Luftverdichters und der Heißluftmaschine in einem Aggregat vereinigen. Die Arbeitsweise solcher Verfahren wäre dann folgende:

a) 4-Takt-Verfahren: (Abb. 1)

Ein mehrzylindriger Kolbenmotor u saugt über ein gesteuertes Einlaßorgan a Frischluft von außen an und komprimiert anschließend diese Frischluft bis etwa über den Betriebsdruck des Gesamtsystems. Die komprimierte Luft, die schon bei der Kompression durch die Kompressionswärme auf eine gewisse Temperatur gebracht wird, wird über ein für die Zeit dieses Verdichtungstaktes entlastetes - also selbsttätiges - Ventil b in den Wärmetauscher gedrückt. In diesem wird die so vorkomprimierte Luft bei gleichbleibendem Druck durch die heißen Brenngase der Brennkammer f auf Arbeitstemperatur gebracht.

Nach der Erhitzung strömt die Luft bei praktisch immer noch gleichen Druck - Druck nur verringert durch Strömungswiderstände - aber mit nunmehr stark vergrößertem Volumen dem Zylinder der Kolbenmaschine u durch ein gesteuertes Einlaßorgan c wieder zu und zwar über einen der Überhitzung entsprechend bemessenen nunmehr größeren Kurbelwinkel als der des Ausschiebevorganges. Sie leistet demzufolge im Zylinder sowohl während der Dauer der Einströmung als auch während der anschließenden Periode der Expansion Arbeit.

Bei Erreichung des unteren Kolbentotpunktes öffnet das gesteuerte Auslaßorgan d und die bereits weitgehend expandierte und dabei teilweise abgekühlte Luft strömt, zweckmäßig noch über eine Abgasturbine e, die mit einem Generator zur Stromerzeugung für die Hilfsmaschine verbunden ist, der drucklosen Brennkammer f zu. Hier dient sie zum Teil als Verbrennungsluft für einen flüssigen oder festen Brennstoff und der hierzu nicht benötigte Restteil der Luft wird an geeigneter Stelle dem Wärmeaustauscher n direkt zugeführt, wo er mit den Brenngasen vermischt seine Restwärme an die Arbeitsluft wieder abgibt.

Zum Schluß verlassen Brenngase und Luft mit einer durch die Abmessung des Wärmeaustauschers bestimmten Resttemperatur - zweckmäßig abgesaugt durch ein Exhaustor - die Anlage bei g ins Freie.

Neben den üblichen Verlusten durch Reibung und Wärmestrahlung sowie Gasreibung, die durch geeignete konstruktive Maßnahmen gering gehalten werden können, bestimmt dieses Abgasluftgewicht multipliziert mit der spezifischen Wärme und der Resttemperatur dieses Gemisches den Wärmeleistungsverlust.

b) 2-Takt-Verfahren: (Abb. 2)

Sinngemäß wird sich das gleiche Verfahren auch mit einer 2-Takt Heißluftmaschine verwirklichen lassen. Hier sind außer dem Einlaßorgan für die Heißluft h und dem gesteuerten Auslaßorgan für die komprimierte Frischluft k, die wie üblich im Zylinderkopf anzuordnen wären, in Nähe des unteren Kolbentotpunktes auf der einen Seite Auslaßschlitze l für die abziehende Heißluft und gegenüber etwas tiefer Einlaßschlitze m für Spülfrischluft vorzusehen.

Das Arbeitsverfahren wäre dann folgendes. Die in dem Spülluftgebläse s erzeugte Spülfrischluft wird nahe dem unteren Kolbentotpunkt in an sich bekannter Weise durch den Zylinderraum und zum kleinen Teil über die gegenüberliegenden Auslaßschlitze l in die Auslaßleitung o und die Abgasturbine e geführt. Damit wird erreicht, daß der Zylinderraum von Heißluftresten befreit und mit kühler Frischluft angefüllt wird.

Der nun folgende Verdichtungshub, bei dem die Luft über das Ventil k zum Wärmeaustauscher n und von dort über das Ventil h wieder in den Zylinder zurück gelangt, sowie der sich daran anschließende Expansionsvorgang verlaufen entsprechend der 4-Takt Maschine. Bei Freigabe der etwa höher als die Einlaßschlitze liegenden Auslaßschlitze l durch den Kolben wird die Heißluft entsprechend ihrem Restdruck in die Auslaßleitung o abgeführt, und die Heißluftreste werden anschließend bei weiterem Niedergang des Kolbens und Freigabe der Spülluftschlitze m, wie beschrieben, durch frische Spülluft aus dem Zylinder herausgedrückt.

Der Weg der Luft durch Brennkammer p bzw. Lufterhitzer n zum Auslaß r wird im übrigen entsprechend dem bei der 4-Takt Maschine geschilderten Vorgang verlaufen.

Beim Viertaktverfahren kann ebenfalls durch einen vorgeschalteten Lader s, der ggf. in mechanischer Verbindung mit der nachgeschalteten Abgasturbine e steht, der Gesamtdruckspiegel erhöht und können damit die Abmessungen der Anlage verkleinert werden.

Außerdem besteht die Möglichkeit, um der nicht erreichbaren isothermen Kompression näher zu kommen, eine zu verdampfende Flüssigkeit (z.B. Wasser) in so bemessener Menge der Luft, z.B. bei der Kompression im Zylinder bei t (Abb. 2) zuzugeben, so daß durch die Verdampfungswärme dieses Wassers die Kompressionsendtemperatur niedrig gehalten wird. Da in dem Gesamtprozeß der Taupunkt nicht wieder erreicht wird, geht dieses Wasser in Dampfform durch die Anlage, kann in der Brennkammer z.B. noch zersetzt werden (Wassergas) und entweicht dann ins Freie. Außerdem kann die Luft vor Eintritt in die Kolbenmaschine nochmals gekühlt werden.

Eine solche Maschine hat vor allem den Vorteil, daß die anwendbaren Heißlufttemperaturen höher als bei der Turbine gewählt werden können und der Prozeß dadurch wirtschaftlicher gestaltet werden kann, da durch die angesaugte Frischluft bei jedem Kolbenspiel eine Innenkühlung der Konstruktionselemente erfolgt.

Claims (4)

1) Heißluftmaschinenanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die bei einer im Viertakt arbeitenden Kolbenmaschine angesaugte und bei einer im Zweitakt arbeitenden Maschine durch ein Spülgebläse zugeführte Frischluft nach ihrer Kompression im Arbeitszylinder die Maschine verläßt, einen Lufterhitzer durchströmt, nach Aufheizung in diesem Lufterhitzer dem Zylinder wieder zuströmt, ihn nach Arbeitsleistung wieder verläßt und vorzugsweise über eine Abgasturbine einer Brennkammer zuströmt, dort z.T. für die Verbrennung eines flüssigen oder festen Brennstoffes verwendet wird und zusammen mit den hoch erhitzten Brenngasen in einem Lufterhitzer ihre Wärme an nachfolgend komprimierte Arbeitsluft wieder abgibt, um hinter dem Wärmetauscher die Anlage zu verlassen.

2) Heißluftmaschinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft während des Verdichtungshubes geringe Mengen eines Kühlmittels (z.B. Wasser) beigemischt werden, oder die Ansaugluft vor der Kolbenmaschine gekühlt wird.

3) Heißluftmaschinenanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Drehkolbenmaschine.

4) Heißluftmaschinenanlage mit einem Viertaktmotor oder Zweitaktmotor nach Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet durch einen der Maschine die Frischluft vorverdichtet zuführenden Lader.