Wärmekraftmaschine mit hohem thermischen Wirkungsgrad Beschreibung Heat engine with high thermal efficiency Description
Die Wärmekraftmaschine ist eine modifizierte Dampfmaschine, die ebenfalls über äußere Wämezvifuhr Wasser als Arbeitsfluid erwärmt und Funktionsmerkmale eines Dieselmotors hat. The heat engine is a modified steam engine that also heats water as a working fluid via external heat exchangers and has features of a diesel engine.
Der Unterschied zur Dampfmaschine besteht darin, dass die Wärmeaufnahme des The difference to the steam engine is that the heat absorption of the
Arbeitsfluids in der Wärmekraftmaschine in einem kleineren Volumen als bei der Working fluid in the heat engine in a smaller volume than in the
Dampfmaschine erfolgt und damit einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht. Steam engine takes place and thus allows a higher efficiency.
Diese Art der Wärmeaufhahme wird dadurch erreicht, dass das Wasser trotz hoher This type of heat absorption is achieved in that the water despite high
Temperaturen keine Möglichkeit zum Verdampfen hat und in flüssiger Form in den Zylinder gespritzt und sich in Dampf verwandelt, der dann mechanische Arbeit leistet. Temperatures has no possibility for evaporation and sprayed in liquid form into the cylinder and turned into steam, which then performs mechanical work.
Das Merkmal, Heißwasser in den Zylinder einer Kolbenmaschine zu spritzen, weisen auch folgende Druckschriften auf, jedoch nicht nach der Art wie in dieser Erfindung, dass das Wasser durch eine Einspritzpumpe auf hohen Druck gebracht und zur Einspritzdüse befördert wird, auf dessen Weg es erhitzt und in den sich bildenden Zylinderraum gespritzt wird. The feature of injecting hot water into the cylinder of a reciprocating engine also includes the following references, but not of the type as in this invention, that the water is brought to high pressure by an injection pump and conveyed to the injector, on the way it is heated and is injected into the forming cylinder space.
1. ) US 2 429 035 A 1.) US 2 429 035 A
Der verbrauchte Abgasdampf weist noch so viel Druck und Temperatur auf, dass dieser den für den Arbeitstakt benötigten Dampf in heißes Wasser für die Injektion verwandelt. The spent exhaust steam still has so much pressure and temperature that it transforms the steam needed for the power stroke into hot water for injection.
2. ) DE 2 440 659 AI 2.) DE 2 440 659 AI
Dampferzeugung in einem mit einem Heizelement befindlichen Zylinderkopf. Steam generation in a cylinder head with a heating element.
3. ) DE 825 690 B 3.) DE 825 690 B
Dampferzeugung in einem beheizten Zylinderkopf. Steam generation in a heated cylinder head.
4. ) DE 2 158 618 A 4.) DE 2 158 618 A
In ein mit dem Motor verbundenes Aggregat wird Dampf erzeugt.
5. ) DE 689 961 A Steam is generated in an aggregate connected to the engine. 5.) DE 689 961 A
In eine mit dem Zylinderraum offene Verbindung beheizte Verclampfungskammer wird Verdamprungsflüssigkeit gespritzt. In a Verclampfungskammer heated with the cylinder chamber open connection is sprayed Verdamprungsflüssigkeit.
6. ) US 8 061 133 B2 6.) US 8 061 133 B2
Der Raum zwischen Kolben und Zylinder bildet eine Arbeitkammer, die mit einer The space between piston and cylinder forms a working chamber, which with a
Vorkammer verbunden ist, in die das flüssige Arbeitsmittel eingebracht wird und in die die flüssige und die Dampffase voneinander getrennt sind. Prechamber is connected, in which the liquid working medium is introduced and in which the liquid and the vapor tail are separated from each other.
Die Wärmeaufnahme des Arbeitsfluides bezogen auf das ihm zur Verfügung stehende Volumen wird bei dieser Patentbeschreibung als Wärmedichte benannt und in Folge dieser Beschreibung eingehender behandelt. The heat absorption of the working fluid relative to the volume available to it is referred to in this patent specification as a heat density and treated in more detail as a result of this description.
Die Einspritzart ähnelt einem Common-Rail-Dieselmotor, also mit einem Hochdruckspeicher, dessen Wärmeträger jedoch Öl ist. The type of injection is similar to a common-rail diesel engine, ie with a high-pressure accumulator whose heat transfer medium is oil.
Nach Fig.l fließt bei der Wärmekraftmaschine das Wasser (1) vom Vorratsbehälter (2) über eine Einspritzleitung (3) bis zur Einspritzpumpe (4), wo es unter anstehendem hohem Druck weiter bis zu dem Einspritzventil (5) der Expansionsmaschine (6) gedrückt wird. Auf dem Weg zu dem Einspritzventil wird dem Wasser in der Einspritzleitung bis in den According to Fig.l flows in the heat engine, the water (1) from the reservoir (2) via an injection line (3) to the injection pump (4), where it continues under pending high pressure up to the injection valve (5) of the expansion machine (6) is pressed. On the way to the injection valve is the water in the injection line to the
Überhitzungsbereich Wärme (7) zugefügt, ohne dass das Wasser verdampfen kann. Das extern gesteuerte Einspritzventil öffnet im o.T. -Punkt des Kolbens (8), so dass das erwärmte Wasser in den sich bildenden Zylinderraum (9) spritzt. Overheating area added heat (7), without the water can evaporate. The externally controlled injection valve opens in o.T. Point of the piston (8), so that the heated water injected into the forming cylinder chamber (9).
Beim Vergrößern des oberen Zylinderraumes verwandelt sich das eingespritzte Wasser isenthalp zu Dampf und expandiert adiabatisch nach Einspritzende bis zum Öffnen des Auslassventils (10), durch das es ausgestoßen wird. As the upper cylinder space is enlarged, the injected water transforms isenthalp to steam and expands adiabatically after the end of injection until the exhaust valve (10) opens, through which it is expelled.
Obwohl die Einspritzzeit in Abhängigkeit vom Kolbenweg kürzer und die Einspritzmasse größer als beim Dieselmotor ist, ist dies nicht problematisch, da das Arbeitsfluid nicht fein zerstäubt werden muss und auch keine Zeit zum Verbrennen benötigt.
Eine Wärmemenge in einem im Überhitzungsbereich flüssigen Wasser erzeugt eine Although the injection time is shorter depending on the piston stroke and the injection mass is larger than that of the diesel engine, this is not problematic because the working fluid does not have to be finely atomized and does not require time to burn. An amount of heat in a liquid in the superheated area generates a water
Dampfmenge mit einer spezifischen Enthalpie, die bei gleicher Wärmemenge und Enthalpie größer ist als bei konventioneller Erzeugung von Dampf. Das bedeutet somit einen höheren Wirkungsgrad. Steam quantity with a specific enthalpy, which is larger with the same amount of heat and enthalpy than with conventional generation of steam. This means a higher efficiency.
Die Überlegung, dass das Wasser gleich wie das Öl beim Dieselmotor in den mit verdichteter Luft gefüllten Zylinderraum zu spritzen, ist thermodynamisch nicht sinnvoll, da das Wasser beim Einspritzen sich in Dampf verwandeln würde und dieser den ihm zur Verfugung stehenden Raum einnähme, was einer Drosselung gleich käme und die Umwandlung in mechanische Energie mindern würde. Der in dieser Erfindungsanmeldung aufgeführte Begriff der Wärmedichte als Voraussetzung für einen hohen Wirkungsgrad wäre damit auch nicht erfüllt. The idea that injecting the water into the cylinder chamber filled with compressed air just like the oil in a diesel engine does not make sense thermodynamically since the water would turn into steam when injected and this would take up the space available to it, which would be throttling would come soon and reduce the conversion into mechanical energy. The term of the heat density listed in this invention application as a prerequisite for high efficiency would thus not be met.
Ein weiterer Vorteil gegenüber der Dampfmaschine ist die für den Betrieb der Another advantage over the steam engine is the operation of the
Wärmekraftmaschine gering zu erwärmende Wassermenge. Heat engine low amount of water to be heated.
Die Funktionsweise der Wärmekrafmiaschine ist nach Fig. 4: The operation of the thermal engine is shown in FIG. 4:
Punkt 1 : Einspritzbeginn des Wassers in den Zylinder Point 1: start of injection of water into the cylinder
Punkt 1 nach 2 : Isotherme Einspritzung (Isenthalpe) Point 1 to 2: Isothermal injection (Isenthalpe)
Punkt 2 : Einspritzende Point 2: Injection end
Punkt 2 nach 3 : Adiabate Expansion (Isentrope Point 2 to 3: Adiabatic Expansion (Isentrope
Punkt 3 : Öff ungsbeginn Auslass- Ventil Point 3: Opening of outlet valve
Punkt 3 nach 4 : Ausstoß des Dampfes Point 3 to 4: expulsion of the steam
Punkt 4 : Schließen des Auslassventils Item 4: Close the exhaust valve
Zur Beurteilung thermodynamischer Prozesse von Wämekrafmiaschinen soll der Begriff der Wärmedichte dienen, der bei dieser Patentanmeldung angewendet wird. To assess thermodynamic processes of Wämekrafmiaschinen the term of the heat density to serve, which is used in this patent application.
Die Aufgabe aller Wämekraftmaschinen besteht darin, dass Wärme in mechanische Energie dadurch umgewandelt wird, dass eine Wärmemenge einem Arbeitsmedium zugeführt wird, damit dessen Druckenergie erhöht wird, um daraus mechanische Energie zu gewinnen. The object of all heat engines is that heat is converted into mechanical energy by supplying a quantity of heat to a working medium so that its pressure energy is increased in order to obtain mechanical energy therefrom.
Die Umwandlung der Druckenergie in mechanische Energie erfolgt über deren Abbau durch ein Druckgefälle, das eine Volumenvergrößerung des Arbeitsmediums zur Folge hat.
Auf dem Weg der Volumenvergrößerung findet eine Arbeitsleistung statt. Diese kann in Form als Verdrängungsarbeit oder kinetischer Gasenergie der Wärmekraftmaschine entnommen werden. The conversion of the pressure energy into mechanical energy via their degradation by a pressure gradient, which has an increase in volume of the working medium result. On the way of increasing the volume, there is a work service. This can be taken in the form of displacement work or kinetic gas energy of the heat engine.
Um eine möglichst große Volumenvergrößerung zu erhalten, ist es wesentlich, dass bei der Wärmezuruhr das Arbeitsvolumen klein und der Druck groß und nach der In order to obtain the largest possible increase in volume, it is essential that the heat volume in the working volume is small and the pressure is large and after the
Volumenvergrößerung das Volumen groß und der Druck klein sind. Volume increase the volume is large and the pressure is small.
Somit ist es für den Wirkungsgrad und die Effizienz einer Wärmekraftmaschine wesentlich, dass eine möglichst hohe Wärmemenge in einem möglichst kleinen Volumen dem Thus, it is essential for the efficiency and efficiency of a heat engine that the highest possible amount of heat in the smallest possible volume
Arbeitsmedium zugeführt wird, was auch der Grund für die Verdichtung des Arbeitsmediums bei den Verbrennungskraftmaschinen ist. Working medium is supplied, which is also the reason for the compression of the working fluid in the internal combustion engines.
Die Verteilung der Wärmemenge auf eine bestimmte Größe wird als Energiedichte bezeichnet. The distribution of the heat quantity to a certain size is called energy density.
Es wird während des Arbeitsprozesses hohe Energiedichte in niedrigere Energiedichte umgewandelt, so dass deren Differenz die Arbeitsleistung der Wärmekrafmiaschine ist. During the working process, high energy density is converted into lower energy density, so that the difference between them is the working output of the thermal-energy machine.
Zur Erfassung der thermischen Größen in Formeln, sind diese den physikalischen Größen zugeordnet. To record the thermal quantities in formulas, these are assigned to the physical quantities.
Die Zuführung der Wärme "Q" erfolgt auf das Arbeitsmedium im Brennraum "V", der während der Wärmezufuhr konstant bleibt, so dass die Energiedichte der Wärme durch folgende Formel ausgedrückt wird: The supply of the heat "Q" takes place on the working medium in the combustion chamber "V", which remains constant during the heat supply, so that the energy density of the heat is expressed by the following formula:
Q kJ Q kJ
w= w =
V m3 V m 3
Zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie muss die Energiedichte der Wärme in eine Energiedichte der Druckenergie umgewandelt werden. To convert heat into mechanical energy, the energy density of the heat must be converted to an energy density of the pressure energy.
Die Druckenergie ist das Produkt aus Druck mal Volumen.
Druckenergie W = p · V kJ Energiedichte der Druckenergie ist der Druck The pressure energy is the product of pressure times volume. Pressure energy W = p · V kJ Energy density of the pressure energy is the pressure
V V
Somit ist die Wärmedichte wie der Druck eine Zustandsgröße und vom Weg der Thus, the heat density as the pressure is a state variable and the way the
Zustandsänderung unabhängig. Change of status independently.
Wird eine Wärmemenge "Q" dem Arbeitsmedium mit der Masse "m" zugeführt, so steigt dessen Temperatur "T" um die Temperaturerhöhung " ΔΤ ". If a quantity of heat "Q" is supplied to the working medium with the mass "m", its temperature "T" rises by the temperature increase "ΔΤ".
Äquivalent dazu steigt zum Anfangsdruck "po" der Gesamtdruck "p" um den Druckzuwachs "pw" durch die Wärmezufuhr. p = po + pw Equivalently, at the initial pressure "po", the total pressure "p" increases by the heat input due to the pressure increase "pw". p = po + pw
m · cv m · cv
Nach der allgemeinen Gasgleichung ist p « V According to the general gas equation, p «V
( Τ+ΔΤ ) = K (Τ + ΔΤ) = K
m · Rs m · Rs
Die Gleichung für die Temperaturerhöhung wird in die allgemeine Gasgleichung eingesetzt The equation for the temperature increase is used in the general gas equation
Q P · ν Q P · ν
T+ = K T + = K
m · cv m · Rs m · cv m · Rs
Nach Auflösen nach dem Druck ergibt sich:
Rs · T · m Q · Rs After dissolution after printing results: Rs · T · m Q · Rs
p = + kN/m2 p = + kN / m 2
V V · cv V V · cv
Der erste Summand ergibt den Druck vor Beginn der Wärmezufuhr, während der zweite Summand sich nach der Wärmezufuhr in zwei Faktoren aufgliedert. The first summand gives the pressure before the beginning of the heat supply, while the second summand is divided into two factors after the heat supply.
Erster Faktor: First factor:
Q 3 Q 3
kJ/m = w Energiedichte der Wärme kJ / m = w Energy density of heat
V V
Auf die Masse von einem Kg bezogen wird mit On the mass of a kg is related with
q kJ / kg q kJ / kg
v m3/ kg vm 3 / kg
q q
w= kJ/m w = kJ / m
v v
Zweiter Faktor: Rs kJ kg · k Second factor: Rs kJ kg · k
= A Dimensionsloser Umwandlungsfaktor von der Wärmedichte in Druck cv kJ kg · K p = po + w · A = A dimensionless conversion factor of the heat density in pressure cv kJ kg · K p = po + w · A
Der Umwandlungsfaktor ist somit: pw kN/m' The conversion factor is thus: pw kN / m '
A= A =
w kJ/m3 w kJ / m 3
In der Thermodynamik wird für die Wärmezuführung bei der Berechnung und Auslegung von Wärmekraftaiaschinen der Gemischheizwert "HG" angegeben. In thermodynamics, the mixture heating value "HG" is given for the heat supply in the calculation and design of thermal power machines.
Dieser ist eine Energiedichte der Wärme, die sich auf einen Normkubikmeter des This is an energy density of heat that is based on a standard cubic meter of
Arbeitsmediums bei stöchiometrischer Verbrennung bezieht.
Werden die physikalischen Daten des Normkubikmeters und der Gemischheizwert in die Formel für die Druckberechnung eingegeben, so wird mit w= HG kJ / m3 Obtains working medium at stoichiometric combustion. If the physical data of the standard cubic meter and the mixture heating value are entered into the formula for the pressure calculation, w = HG kJ / m 3
Rs = 0,287 kJ / kg * K Rs = 0.287 kJ / kg * K
cv = 0,912 kJ / kg » K cv = 0.912 kJ / kg »K
Rs 0,287 Rs 0.287
= = 0,3146 = = 0.3146
cv 0,912 cv 0.912
Rs · T · m Rs · T · m
2 2
p = + w · A kN/m p = + w · A kN / m
V p = 101 + HG · 0,3146 kN/m2 V p = 101 + HG x 0.3146 kN / m 2
Es werden von dem Gemischheizwert nur 31 ,46 % in Druck verwandelt. Only 31, 46% of the mixture's calorific value are converted into pressure.
Otto-Motor Otto engine
Der Otto-Motor hat einen Gemischheizwert des Benzin-Luftgemisches von The Otto engine has a mixture calorific value of the gasoline-air mixture of
HG = 3655,07 kJ/m3 HG = 3655.07 kJ / m 3
Damit ergibt sich für den unverdichteten Normkubikmeter des Benzin-Luftgemisches bei der Verbrennung folgender Druck: p = 101 + 3655,07 · 0,3146 kN/m2 This results in the following pressure for the uncompressed standard cubic meter of the gasoline-air mixture during combustion: p = 101 + 3655.07 × 0.3146 kN / m 2
p = 1,01 + 11,49 bar p = 12,5 bar p = 1.01 + 11.49 bar p = 12.5 bar
Zur Druckerhöhung auf einen maximalen Druck "pmax" im System wird das Arbeitsmedium mit seinem Gemischheizwert vor der Verbrennung mit einem Verdichtungsverhältnis
γ To increase the pressure to a maximum pressure "pmax" in the system, the working medium with its Gemischheizwert before combustion with a compression ratio γ
ε =— verdichtet, damit dessen Wärmedichte erhöht wird, um dann bei der Verbrennung ε = - compressed so that its heat density is increased, and then during combustion
^ 2 ^ 2
bei gleichem Temperaturbeginn wie beim Normkubikmeter einen höheren Druck zu erzielen. to achieve a higher pressure at the same temperature beginning as with the standard cubic meter.
Rs Rs
pmax = po · ε + ε · HG · kN/m pmax = po · ε + ε · HG · kN / m
cv cv
Mit unverändertem Umrechnungsfaktor und einem Verdichtungsverhältnis ε = 10 wird: pmax = 101 · 10 + 10 · 3655,07 · 0,3146 kN/m2 pmax = 1010 + 11498,9 kN/m2 A 125,08 bar With unchanged conversion factor and a compression ratio ε = 10 becomes: pmax = 101 · 10 + 10 · 3655.07 · 0.3146 kN / m 2 pmax = 1010 + 11498.9 kN / m2 A 125.08 bar
Dieselmotor diesel engine
Um einen Vergleich der Energieumsetzung zwischen der Wärmekrafmiaschine und dem Dieselmotor herzustellen, werden beide Maschinen mit der gleichen Wärmemenge beschickt und die daraus gewonnene Druckenergie ermittelt, die dann jeweils ein Maß für den In order to make a comparison of the energy conversion between the heat engine and the diesel engine, both machines are charged with the same amount of heat and the resulting pressure energy determined, which then each measure the
Wirkungsgrad darstellt. Efficiency represents.
Die Zuführung einer Wärmemenge von Q = 1000 kJ in einen Normkubikmeter Luft entspricht den üblichen Verhältnissen ausgeführter Dieselmotoren mit Gleichdruckverbrennung. The supply of an amount of heat of Q = 1000 kJ in a standard cubic meter of air corresponds to the usual conditions of running diesel engines with constant pressure combustion.
Da beim Dieselmotor das Einspritzverhältnis Because with the diesel engine the injection ratio
y y
φ =— den Wirkungsgrad mitbestimmt, wird als optimaler Kompromiss φ = 1,77 bei einem Dichtungsverhältnis von φ = - determines the efficiency is, as an optimal compromise φ = 1.77 at a sealing ratio of
£■= 18 gewählt. £ ■ = 18 selected.
Das p-v-Diagramm nach Fig.2 zeigt in den Punkten PI - P4 die jeweiligen Zustandsgrößen und ihren Verlauf. The p-v diagram according to FIG. 2 shows the respective state variables and their course in points PI-P4.
Zustandspunkt PI ( Zustand des Normkubikmeters ) State point PI (state of the standard cubic meter)
T{ = 273 K
ρχ ~ 1,01 barT { = 273 K ρ χ ~ 1.01 bar
,= lm3 , = lm 3
m= 1,2928 kg m = 1.2928 kg
v, = 0,7735 m3/kg v, = 0.7735 m 3 / kg
Zustandspunkt P2 State point P2
X X
Ρ2=Ρι.ε =18 =57,9 bar Ρ2 = Ρι. ε = 18 = 57.9 bar
T2 = Τ· εχ_1 = 273 · 180,4 = 867 K T 2 = Τ · ε χ_1 = 273 · 18 0.4 = 867 K
V2 = — = 0,0555 m3 V 2 = - = 0.0555 m 3
2 ε 18 2 ε 18
Verdichtungsarbeit von PI nach P2 Li-2 = -~ (pi · ! - p2 · V2 ) -2 =— (lOl · 1 - 5790 · 0,0555 ) Compaction work from PI to P2 Li-2 = - ~ (pi ·! - p2 · V 2 ) -2 = - (lOl · 1 - 5790 · 0.0555)
1,4-1 J 1.4 to 1 J
Ι _2=550 kJ Zustandspunkt P3 Ι _2 = 550 kJ state point P3
Q = 1000 kJ Zugeführte Wärmemenge von P2 nach P3 P3 = 57,9 bar Q = 1000 kJ Supply of heat from P2 to P3 P3 = 57.9 bar
V3 = V2 · φ = 0,055 · 1,77 = 0,0983 m3 V 3 = V 2 · φ = 0.055 · 1.77 = 0.0983 m 3
T3 = T2+ ΔΤ T 3 = T 2 + ΔΤ
ΔΤ=— = — =661 K c =l,17kJ/kgK m*cp 1,2928· 1,17 " ΔΤ = - = - = 661 K c = 1, 17kJ / kgK m * cp 1.2928 · 1.17 "
T3 = 1528K T 3 = 1528K
Volumenarbeit von P2 nach P3 Volume work from P2 to P3
L2-3 = P3 · (v3-V2) = 5790 (θ,093 - 0,0555)
L2.3 = 247 kJ L 2 -3 = P 3 * (v 3 -V 2 ) = 5790 (θ, 093-0.0555) L2.3 = 247 kJ
Zustandspunkt P4 State point P4
V = l m3 V = lm 3
V3 \ X ( 0,0983 \ 1,4 V3 \ X (0.0983 \ 1.4
Ρ4= Ρ3 · ^τ Ρ4 = 57,2 · ^-^— ) p = 2,22 bar Ρ4 = Ρ3 · ^ τ Ρ4 = 57.2 · ^ - ^ -) p = 2.22 bar
4 4
Τ4 = Τ3 . χ·1 Τ4. 1528. ( Η) °·4 = 4 = Τ 3 . χ · 1 Τ 4 . 15 2 8 . (Η) ° · 4
T4 = 604 K T4 = 604 K.
Volumenarbeit = Expansionsarbeit von P3 nach P4 Volume work = expansion work from P3 to P4
L34 =— · (p3 ·ν3 - P4 ·ν4) L3_4 = -^— · (5790 · 0,0983-222 ·ΐ) L34 = - · (p3 · ν 3 - P4 · ν 4) L 3 _4 = - ^ - · (5790 · 0.0983 to 222 · ΐ)
χ - 1 ι,4 -ι χ - 1 ι, 4 -ι
L3 = 867 kJ L 3 = 867 kJ
Nutzarbeit = Für mechanische Energie verwertbare Druckenergie LN = L3-4 + L2-3 " Ll-2 LN = 867 + 247 - 550 LN = 564 kJ Useful work = energy energy usable for mechanical energy LN = L 3-4 + L2-3 "Ll-2 L N = 867 + 247 - 550 LN = 564 kJ
Das bedeutet, dass 564 kJ von 1000 kJ zugeführter Wärme in Druckenergie umgesetzt wurden, also ein thermischer Wirkungsgrad von η = 56,4% . This means that 564 kJ of 1000 kJ heat input have been converted into pressure energy, ie a thermal efficiency of η = 56.4%.
Es soll die jeweilige Nutzarbeit der aufgenommenen Wärmemenge von Q = 1000 kJ sowohl bei der Dampfmaschine als auch bei der Wärmekraftmaschine untersucht werden, also ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung auf das Arbeitsfluid. It is the respective useful work of the absorbed heat quantity of Q = 1000 kJ are examined both in the steam engine and in the heat engine, ie without consideration of the efficiency of heat transfer to the working fluid.
Der Vergleich zwischen der Dampfmaschine und der Wärmekraftmaschine mit ihren gleichen Arbeitsfluiden erfolgt über die Wärmedichte, die bei beiden Maschinen gleich gesetzt wird. The comparison between the steam engine and the heat engine with their same working fluids is based on the heat density, which is set the same for both machines.
Zur Erzeugung von übererhitztem Wasser-Dampf für eine Dampfmaschine wird eine For generating superheated water steam for a steam engine is a
Wärmemenge benötigt, die das Wasser bis zum Siedepunkt erwärmt, dann mit der Amount of heat needed, which heats the water to the boiling point, then with the
Verdampfungswärme verdampfen lässt und anschließend den Dampf erhitzt.
Die Summe dieser Wärmemengen wird als Enthalpie des Dampfes angegeben. Wenn der Dampf die Überhitzungstemperatur "T " und den Dampfdruck "p" hat, so liegen damit seine Enthalpie "h" und sein spezifisches Volumen "v " und damit auch seine Wärmedichte w = h /v kJ/ m3 fest. Evaporate evaporation heat and then heat the steam. The sum of these amounts of heat is given as the enthalpy of the vapor. If the steam has the superheating temperature "T" and the vapor pressure "p", then its enthalpy "h" and its specific volume "v" and thus also its heat density w = h / v kJ / m3 are fixed.
Bei der Wärmekraftmaschine wird zur Erzeugung der gleich hohen Temperatur eine geringere Wärmemenge benötigt, da sie direkt im kleineren Volumen ohne Verwandlung in Dampf und dessen Erhitzung dem Arbeitsfluid zugeführt wird. In the heat engine, a smaller amount of heat is needed to produce the same high temperature, since it is supplied directly to the working fluid in the smaller volume without conversion into steam and its heating.
Bei der Umwandlung des eingespritzten Wassers in Dampf wird bei konstanter Temperatur Energie dem Arbeitsfluid in Form von Verdampfungswärme entzogen, so dass diese wie bei konventioneller Dampfherstellung die aufgenommene Wärmemenge zur Umwandlung in Nutzenergie schmälert. In the conversion of the injected water into steam at constant temperature energy is removed from the working fluid in the form of heat of evaporation, so that this reduces the amount of heat absorbed for conversion into useful energy as in conventional steam production.
Die Wärmeaufnahme bei der Wärmekrafhriaschine erfolgt über die spezifische The heat absorption in the thermal power machine is done on the specific
Wärmekapazität " Cp " und ist: q = Cp »AT kJ / kg Heat capacity "Cp" and is: q = Cp »AT kJ / kg
Obwohl die spezifische Wärmemenge "q " die gleiche Dimension wie die spezifische Although the specific amount of heat "q" has the same dimension as the specific one
Enthalpie " h " hat, ist die Wärmemenge " q " höherwertiger. Enthalpy "h", the heat quantity "q" is higher.
Erst wenn die Wärmemenge Only when the amount of heat
" q " über die Wärmedichte " w " in Enthalpie umgerechnet ist, können beide miteinander verglichen werden. "q" is converted over the heat density "w" into enthalpy, both can be compared with each other.
Dampfmaschine nach p-v- Diagramm in Fig.3 Steam engine according to p-v diagram in Figure 3
Zum Vergleich mit dem Dieselmotor wird ein Dampf mit annähernd gleichem Druck gewählt: For comparison with the diesel engine, a steam is selected with approximately the same pressure:
3 3
Zustandspunkt PI ( zuströmender Dampf bei Vi = 0,0 m ) Condition point PI (inflowing steam at Vi = 0.0 m)
pi = 60 bar pi = 60 bar
T, = 623 K ( 350°C ) T, = 623 K (350 ° C)
3 3
υι = 0,04225 m / kg υι = 0.04225 m / kg
h! = 3043 kJ / kg
k 3043 h ! = 3043 kJ / kg k 3043
Wi =— = Wi = - =
v, 0,04225 v, 0.04225
wi = 72000 kJ/m3 Wärmedichte wi = 72000 kJ / m 3 heat density
Q = 1000 kJ aufgenommene Wärmemenge Q = 1000 kJ absorbed heat
1000 1000
m=— m = m = - m =
3043 3043
m = 0,33 kg Masse des Dampfes m = 0.33 kg mass of the steam
Zustandspunkt P2 (Dampfeinströmende) Zustandsdaten von P2 entsprechen PI State point P2 (steam inflow end) State data of P2 corresponds to PI
P2 = P1 P2 = P1
T2 = T! υ2 = υι T 2 = T! υ2 = υι
W2 = wi h2 = hi W2 = wi h2 = hi
V2 = υ2 · m V2 = 0,04225 · 0,33 V 2 = υ 2 × m V 2 = 0.04225 × 0.33
3 3
V2 = 0,0139 m Dampfvolumen V 2 = 0.0139 m steam volume
Zustandspunkt P3 (nach Dampfexpansion) p3 = 1 bar State point P3 (after steam expansion) p 3 = 1 bar
υ3 = 1,43 m3 / kg h3 = 2294kJ/kg υ 3 = 1.43 m3 / kg h 3 = 2294 kJ / kg
V3 = m«u3 V3 = 0,33· 1,43 V3 = 0,472 m3 V 3 = m << 3 V 3 = 0.33 · 1.43 V 3 = 0.472 m 3
Arbeitsgewinn durch Dampfexpansion Δ b.2-3 = h2- h3 Δ h2-3 = 3043 - 2294 Labor gain through steam expansion Δ b.2-3 = h 2 - h 3 Δ h2-3 = 3043 - 2294
Ah2-3 = 749kJ/kg
L2_3 = Δ I12-3 · m L2_3 = 749 · 0,33 Ah2-3 = 749kJ / kg L 2 _3 = Δ I 12-3 · m L 2 _ 3 = 749 x 0.33
L2-3 = 247 kJ L2-3 = 247 kJ
Volumenarbeit volume work
Ll-2 = P2 · v2 Li.2 = 6000 · 0,0139 Li_2= 83 kJ Ll-2 = P2 * v 2 Li.2 = 6000 x 0.0139 Li_2 = 83 kJ
Nutzarbeit = Für mechanische Energie verwertbare Energie LN = L2-3 + Li -2 LN = 247 + 83 Useful work = energy usable for mechanical energy LN = L2-3 + Li -2 L N = 247 + 83
LN = 330 kJ L N = 330 kJ
Das bedeutet, dass 330 kJ von 1000 kJ zugeführter Wärme in Nutzarbeit umgesetzt wurden, also ein thermischer Wirkungsgrad von η = 33% . This means that 330 kJ of 1000 kJ of heat supplied have been converted into useful work, ie a thermal efficiency of η = 33%.
Wärmekraftmaschine nach p-v- Diagramm in Fig.4Heat engine according to p-v diagram in Figure 4
Zustandspunkt PI State point PI
Einspritzbeginn von 623 warmen Wassers in einem von Null beginnenden Volumen, in dem auch die Zustandsgrößen gleich Null sind. Start of injection of 623 warm water in a volume starting from zero, in which the state variables are also zero.
Zustandspunkt P2 State point P2
Folgende Daten sind mit dem Dampf der Dampfmaschine in Punkt2 identisch : T2 = 623 K The following data are identical to the steam of the steam engine in point 2: T2 = 623 K
W2 = 72000 kJ / m3 W2 = 72000 kJ / m 3
Damit sind auch das spezifische Volumen und die spezifische Enthalpie gleich wie in Punkt2 der Dampfmaschine. υ2 = 0,04225 m3 / kg h2 = 3043 kJ / kg Thus, the specific volume and the specific enthalpy are the same as in point 2 of the steam engine. υ 2 = 0.04225 m 3 / kg h 2 = 3043 kJ / kg
Die Masse des Einspritzwassers:
m =— s— Cp = 4,2 kJ / kg K The mass of injection water: m = - s - Cp = 4.2 kJ / kg K
1000 1000
m = m =
4,2 · 350 4.2x350
m = 0,68 kg m = 0.68 kg
Das ergibt ein Dampfvolumen während des Einspritzens: This gives a vapor volume during injection:
V2 = m · υ2 V2 = 0,68 · 0,04225 V2 = m · υ2 V2 = 0.68 · 0.04225
V2 = 0,0289 m3 V2 = 0.0289 m 3
Damit ist das Dampfvolumen bei einem Druck von p = 60 bar und einer Temperatur von T = 350°C bei gleichgroßer Wärmeaufnahme doppelt so groß wie bei einer konventionellen Dampferzeugung. Thus, the vapor volume at a pressure of p = 60 bar and a temperature of T = 350 ° C with the same heat absorption twice as large as in a conventional steam generation.
Zustandspunkt P3 State point P3
Zustandsdaten entsprechen denen in P3 der Dampfmaschine Condition data correspond to those in P3 of the steam engine
Spezifischer Arbeitsgewinn durch Dampfexpansion ist gleich dem bei der Dampfmaschine Ah2-3 = 749 kJ / kg. Specific work profit by steam expansion is equal to that with the steam engine Ah2-3 = 749 kJ / kg.
Die Volumenarbeit entfällt bei der Wärmekraftmaschine, weil der Dampf erst im The volume work is eliminated in the heat engine, because the steam only in
Zylinderraum gebildet wird. Cylinder space is formed.
Nutzarbeit = Für mechanische Energie verwertbare Energie LN = L2-3 Useful work = energy usable for mechanical energy LN = L2-3
LN= Δ h2-3 · m LN= 749 · 0,68 LN = 509 kJ LN = Δ h2-3 · m LN = 749 · 0.68 L N = 509 kJ
Das bedeutet, dass 509 kJ von 1000 kJ zugeführter Wärme in Nutzarbeit umgesetzt wurden, also ein thermischer Wirkungsgrad von η = 50,9% .
Bei je gleichen aufgenommenen Wärmemengen mit Q= 1000 kJ werden bei der Wärmekraftmaschine 54 % mehr Energie in Nutzarbeit umgesetzt als bei der Dampfmaschine mit konventioneller Dampferzeugung. This means that 509 kJ of 1000 kJ heat input have been converted into useful work, ie a thermal efficiency of η = 50.9%. With equal absorbed amounts of heat with Q = 1000 kJ, 54% more energy is converted into useful work with the heat engine than with the steam engine with conventional steam generation.
Wertebestimmung bei verändertem Volumen V2 während des Einspritzens Value determination with changed volume V2 during injection
γ γ
- - halbiertes Volumen V2 während des Einspritzens ergibt: w = 100 400 kJ / m3 LN = 523 kJ - - Halved volume V2 during injection gives: w = 100 400 kJ / m 3 L N = 523 kJ
V2 · 2 = doppeltes Volumen V2 während des Einspritzens ergibt: w = 36 580 kJ / m3 LN = 407 kJ V2 · 2 = double volume V2 during injection results in: w = 36 580 kJ / m 3 LN = 407 kJ
Vergleich thermischer Wirkungsgrade von Maschinentypen. Comparison of thermal efficiencies of machine types.
Der gesamte thermische Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Produkt des thermischen The total thermal efficiency results from the product of the thermal
Wirkungsgrades des Maschinentyps mit dem Wirkungsgrad des Kessels ηκ = 0,85, der die Wärmeübertragung auf das Arbeitsfluid kennzeichnet und beim Dieselmotor entfallt. Efficiency of the machine type with the efficiency of the boiler ηκ = 0.85, which characterizes the heat transfer to the working fluid and omitted in the diesel engine.
Dieselmotor r|th = 56,4 % Dampfmaschine = 33 % · ηκ η1η = 26,4 % Wärmekraftmaschine = 50,9 % · r|th = 40,7 %
Diesel engine r | th = 56.4% Steam engine = 33% · ηκ η 1η = 26.4% Heat engine = 50.9% · r | th = 40.7%