NO810419L - Rotasjonsvarmekraftmaskin. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en rotasjonsmaskin med utvendig forbrenning, dvs. en maskin av den type som har en stator og en rotor som danner et arbeidsrom med varierbart yolum og hvor varmeenergi for drift av maskinen tilføres utenfor arbeidsrommet. Oppfinnelsen tilveiebringer også en ny funksjonssyklus.

i

Mange forsøk er blitt gjort for å fremstille en maskin som kombinerer høy termisk virkningskraft når det gjelder å omdanne den tilførte varmeenergi til nyttig arbeide, med akseptable forhold mellom ytelse og vekt, og ytelse og volum. Forbrenningsmotoren har et gunstig forhold mellom ytelse og vekt,

men relativt lav termisk virkningsgrad. Blant slike forbrenningsmotorer anses dieselmotoren vanligvis for å være den som har best termisk virkningsgrad (opp til 40%). Termodynamisk mere virkningsfulle motorer basert på Carnot-, Stirling- og Ericsson syklusene har vært bygget, men disse har stort sett ikke vært noen kommersielle suksesser, hovedsakelig på grunn av problemet med å tilveiebringe en liten og effektiv varmeveksler som gjør det mulig å varme den arbeidende gass raskt og effektivt ved hjelp av en utvendig varmekilde.

i Da! mp■maskinen er en velkjent maskin med utvendig forbrenning, mens dens forhold mellom ytelse og vekt er vanligvis lav på grunn av at den krever en separat dampkjele og kondensator. Dampmaskinen benytter vanligvis tørr vanndamp eller annen

tørr damp som arbeidsfluid. Videre er dampmaskinens virknings-i

grad begrenset av Rankine syklusens begrensninger.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en rotasjonsmaskin med utvendig forbrenning hvor energien tilføres et arbeidsrom i maskinen ved hjelp av et varmeoverføringsmedium, hvilken maskin omfatter

i

en stator som har en rotor og som danner et arbeidsrom, idet volumet av arbeidsrommet er varierbart ved rotasjon av rotoren fra et minimumsvolum til et maksimumsvolum;

I

j en varmeveksler for oppvarming av varmeoverførings-

mediet utenfor arbeidsrommet under et trykk som er slik at mediet holdes i væsketilstand;

j iljen injektor som kontrolleres slik at den injiserer oppvarmet væskemedium i arbeidsrommet når arbeidsrommet befinner seg nær sitt minimumsvolum, hvorved væskemedium spon- : tant fordamper i arbeidsrommet;

I

I hvilken stator har et utløp som kontrolleres slik at varmeoverføringsmediet utstøtes fra arbeidsrommet når arbeidsrommet befinner seg nær sitt maksimumsvolum.

Maskinen kan omfatte en eller flere statorer og en eller flere rotorer som danner arbeidsrom.

li ' Vanligvis har statoren en sylindrisk boring i hvilken rotoren er eksentrisk montert. Rotoren kan være forsynt med vinger som danner i det minste et arbeidsrom av halvmåneform mellom statoren og rotoren. Når den eksentriske rotor roterer i statoren, vil volumet av hvert arbeidsrom øke fra et minimum til et maksimum og deretter på nytt minke til minimumsverdien for hver omdreining. Konstruksjonen av denne utførelse er analog med konstruksjonen av en vingepumpe. Imidlertid er andre utformninger av statoren og rotoren mulig. Således be-høver statoren ikke være sylindrisk i tverrsnitt, men kan være forsynt med to, tre, fire, fem eller flere kamneser. Rotoren behøver heller ikke være sirkulær i tverrsnitt og kan være forsynt med en flerhet rygger som sammen med statoren danner arbeidsrommet.

i I

I 'et foretrukket utførelseseksempel er imidlertid rotoren sylindrisk i tverrsnitt og er forsynt med to eller flere vinger som kan gli i spalter anordnet i rotoren for å tilpasse seg endringer i avstanden mellom ethvert gitt punkt på rotoren bg det motstående punkt på statoren når rotoren roterer. Fortrinnsvis er hver vinge forsynt med en påvirkningsinnretning for fjærende å presse den mot statorens boring, for således å tette hvert arbeidsrom. Slike påvirkningsmidler kan ta form i'av en fjær, såsom en skruefjær eller bladfjær, som er anordnet i bunnen av hver spalte og virker mellom bunnen av spalten og bunnen av den respektive vinge for å presse vingen utad.

Fortrinnsvis er det også anordnet tetningsmidler mellom de aksiale ender av rotoren og statoren for å forhindre lekkasje. Slike tetningsmidler er velkjent for fagmannen og kan omfatte O-ringer eller labyrinttetninger.

Varmeveksleren kan omfatte en brennstoffbrenner. Forbrennings-gass kan tilføres brenneren ved eller over atmosfærisk trykk. Det foretrekkes å benytte en kompressor for å tilføre gass under trykk til brenneren. En slik kompressor kan være en rotasjonskompressor, såsom en vinge- eller turbinkompressor som drives direkte av maskinen, eller en turbolader som drives av avgassene fra brenneren. Alternativt kan kompressoren være en stempelkompressor som drives av maskinen.

En injektor er også anordnet for å injisere et forvarmet, væskeformet varmeoverføringsmedium i arbeidsrommet. Formålet méd det injiserte væskemedium er å muliggjøre varmeoverføring fra brenneren til arbeidsrommet på en rask og effektiv måte.

I

Noe væskeformet varmeoverføringsmedium går raskt over til damp ved injisering i arbeidsrommet.

I i

For å unngå misforståelser skal følgende uttrykk klargjøres. Varmeoverføringsmediet kan foreligge i .sin væskefase eller

sin dampfase. Uttrykket våt damp er ment å bety at den injiserte væske foreligger både i væskefasen (f.eks. som dråper og i sin dampfase samtidig).

Fortrinnsvis oppvarmes væskemediet ved hjelp av en brenner i en kontaktvarmeveksler, f.eks. en rørkveil med trang boring, til et høyt trykk og en høy temperatur. Siden slike rør med trang boring kan motstå høye trykk, er det vanligvis mulig å varme væsken opp til sitt kritiske punkt. I spesielle an-vendelser hvor varmeoverføringshastigheten skal være høy, kan det være å foretrekke å varme opp mediet til en temperaturbg et trykk over dettes kritiske punkt. Oppvarmet væske under trykk injiseres i arbeidsrommet. Den indre energi av varmeoverføringsmediet blir ved injeksjonen raskt overført til arbeidsrommet fra de varme væskedråper ved væskens fordampning for således å øke trykket meget raskt. Damp i arbeidsrommet ekspanderer (vanligvis polytropisk, dvs. ikke-adiabatisk) for å drive rotoren.

Når arbeidsrommet omtrent har nådd sitt maksimale volum, ut-støtes damp- og væskemediumet fra arbeidsrommet.

l

Varmeoverføringsmediet er en fordampbar væske, såsom vann,

og noe av denne går raskt over til damp etter injeksjon inn i ;arbeidsrommet. Således skjer varmeoverføringen mellom den

i

varmeinjiserte vanndamp og dampen i arbeidsrommet meget raskt.

i

Derfor vil det synes at den injiserte væske virker kun som varmeoverføringsmedium som gjør det mulig for dampen i arbeidsrommet å omdanne indre energi til mekanisk arbeid. Det er ønskelig at varmeoverføringsmediet har en høy temrisk lednings-evne for å maksimalisere varmeoverføringen i.varmeveksleren. Mediet kan med fordel være vann, olje,, natrium, kvikksølv eller blandinger av disse. Blanding kan skje inne i eller utenfor arbeidsrommet. Det er mulig at arbeidsrommet kan inneholde fordampbart varmeoverføringsmedium som kan bringes itil å fordampe ved injisering av oppvarmet væskemedium (som i seg selv ikke behøver å være fordampbart). For å hjelpe smøring av maskinen, kan vannet benyttes som en blanding vann og olje, f.eks. som en emulsjon, dispersjon eller en oppløsning av vann og en vannløselig olje.

i ■

i

I funksjon vil en rest av damp fra fordampningen av varmeover-føringsmediet, og vanligvis noe væske, alltid foreligge i arbeidsrommet.

i ,

Tilbakeholdelse av en rest væskeformet medium i arbeidsrommet etter utstøtning er ønskelig av grunner som vil fremgå tyde-ligere senere, fordi dette reduserer trykket som oppstår under kompresjonssyklusen. Således kan det være ønskelig å konstruere statoren og/eller rotoren slik at noe væskeformet medium tilbakeholdes i arbeidsrommet etter utstøtningen. Vanligvis ;

i j kan dette oppnås ved å anordne passende utsparinger i statoren eller rotoren.

i

i . ,<:>Trykket i arbeidsrommet nar væske støtes ut vil vanligvis

være større enn atmosfærisk trykk (1 bar), og det vil vanligvis være å foretrekke å avlaste trykket i det utstøtte medium ti'l hovedsakelig et trykk på 1 bar.. Trykket når arbeidsrom-mi e!t har sitt minimumsvolum bestemmes av kompresjonsforholdet, som for høy virkningsgrad vanligvis overstiger 10:1. Imidlertid er maskinen i stand til å fungere ved meget lave kompres jonsf orhold eksempelvis under 5:1.

i

Foreliggende oppfinnelse adskiller seg fra dampmaskinen ved

åit varmeoverføringsmediet opprettholdes i sin væskeform og tillates ikke å fordampe før det er innført i arbeidsrommet. Dette står i skarp kontrast til en dampmaskin, hvor vann alltid innføres i sylinderen i form av damp, selv om en hurtig fordampende kjele benyttes. Siden det er nødvendig å over-hete dampen for å fjerne vanndråper i en konvensjonell dampmaskin, er det i realiteten ikke mulig å hurtigfordampe væskeformet vann i sylinderen av en dampmaskin fordi dette ville gi vanndråper i sylinderen. I en maskin ifølge foreliggende oppfinnelse er det imidlertid å foretrekke at mesteparten av vannet i arbeidsrommet foreligger som væskedråper fordi dette reduserer mengden av rekondensasjon som behøver å skje for gjenvinning av latent fordampningsvarme.

i

Da mesteparten av vannet injiseres og utstøtes i væskefasen

er det hovedsakelig ingen entropiøkning på grunn av fordampning. I dampmaskinen Rankine Syklus representerer denne fordampning en teoretisk grense for virkningsgraden av en idéel maskin fordi arbeid må utføres for å rekondensere den utstøtte damp til væskeformet vann. Dette er unødvendig i foreliggende oppfinnelse, slik at omtrent all den indre energi som tapes av det injiserte væskeformede vann kan omdannes til nyttig arbeid. Mesteparten av varmeoverføringsmediet forandrer vanligvis ikke sin tilstand. Således er den teoretiske virkningsgrad for syklusen ifølge foreliggende oppfinnelse større enn

virkningsgraden for Rankine's dampsyklus. i

Det er nødvendig at det oppvarmede varmeoverføringsmedium opprettholdes i væskefase før injisering. Selv om dette kan oppnås ved å benytte passende følere for å sikre at temperaturen ved et gitt trykk ikke overskrider væskens kokepunkt, har man funnet at dersom en åpning av egnet størrelse er forbundet med varmeveksleren, hvor væskemediet oppvarmes og en strøm av væskemediumet opprettholdes gjennom varmeveksleren, vil tilførsel av varme til væskemediet ikke bringe væsken til å koke. Således kan man ved riktig valg av åpningens størrelse unngå komplekse føleanordninger for temperatur og trykk. Åpningen kan naturligvis utgjøre en del av injektor-irinretningen som væske injiseres gjennom i arbeidsrommet. Således er det mulig å kontrollere maskinens ytelse ganske enkelt ved.å regulere mengden av varme som tilføres av brenneren, eksempelvis ved å kontrollere brennstofftilførselen til brenneren (ved konstant injeksjonshastighet for væske-volumet). Maskinens ytelse kan også reguleres ved å regulere irijeksjonsmengden av væskemediumet, eksempelvis ved å benytte en pumpe med variabel kapasitet.

i

Vanligvis blir varmeoverføringsmediet gjenvunnet etterat det er utstøtt fra arbeidsrommet. Det utstøtte mediumet vil frem-deles være noe oppvarmet og kan resirkuleres til varmeveksleren på nytt slik at dets indre energi ikke går tapt. På denne måte virker mediet kun som varmeoverføringsfluid og brukes generelt sett ikke opp.

i Varnn er et foretrukket varmeoverføringsmedium. Midler kan være anordnet for å gjenvinne vannet som dannes ved forbrenningen i brenneren. Således kan det bli mulig å unngå etter-fylling av vann fordi dette tilveiebringes av vann fra forbrenningen i brenneren.

! I

i

Gassen som mates til brenneren kan ta del i forbrenningsprosessen som skjer i brenneren. Gassen kan være en gass som er i stand til å understøtte forbrenning såsom oksygen, luft ' 'eller annen oksygenholdig gass, eller nitrogenoksyd. Alterna tivt kan gassen selv være en brennbar gass såsom gassformede hydrokarboner, karbon monoxyd eller hydrogen.

i

Brennstoffet som brennes i brenneren kan være brennstoffer

såsom bensin, flytendegjorte eller gassformede hydrokarboner, alkohol, tre, kull eller koks.

' DeIt er vanligvis å foretrekke å benytte forskjellige varme-gjenvinningsinnretninger. Således kan hele maskinen være innelukket i et varmeisolerende hus og være forsynt med varme-vekslere for å oppta tapt varme og overføre den eksempelvis for forvarming av brennstoff til brenneren. Det er også foretrukket å gjenvinne varmen som forblir i brennerens avgasser, og dette kan oppnås ved å la avgassene passere gjennom et spraykammer hvor en strøm av væske (vanligvis samme væskemedium som injiseres i maskinen) sprayes gjennom avgassene. Det er hensiktsmessig at væskemediet sprayes gjennom avgassene for å oppvarme væskemediet til nær dets kokepunkt før det føres videre til varmeveksleren.

Når vann benyttes, vil videre bruk av et vannspraykammer eller en kondenser være fordelaktig ved at vann fra brenneren kan kondenseres ut av avgassene, slik at det ikke er nødvend-ig å tilveiebringe etterfyllingsvann for maskinen. Varme-overf øringsmediumet som vanligvis utstøtes omfatter en del damp. Denne damp kan adskilles fra væskemediet i en felle og føres med brenngassen til brenneren for således å forvarme brenngassen og kondensere mere av dampen.

Konstruksjonen av en maskin ifølge foreliggende oppfinnelse er betydelig forenklet på visse måter i sammenligning med kjente maskiner, såsom forbrenningsmotorer. Således vil de temperaturer som foreligger i arbeidsrommet hovedsakelig være redusert for å forenkle tetningen mellom arbeidsrommene. Det vil forstås at kraft kan tilveiebringes i maskinen ifølge foreliggende oppfinnelse ved mye lavere temperaturer enn f.eks. i en forbrenningsmotor. Videre vil forbrenningsmotoren ha mindre termisk virkningsgrad på grunn av de midler som<i>må tilveiebringes for å kjøle sylindrene og forhindre, skjær- ' • 1 '

'ing.

i i

Siden temperaturene som foreligger i maskinen er relativt lave, eksempelvis opp til 250°C, er det videre vanligvis ikke nødvendig å konstruere sylinderen av metall. Plaster såsom polytetrafluoretylen (PTFE), fiberglass impregnert med silicon-hårpiks og andre plaster som benyttes i teknikken, er spesielt hensiktsmessige på grunn av deres lave pris og lette bruk. I 'noen konstruksjoner kan bruk av plastmaterialer som har lav varmeledningsevne være en fordel fordi det sikrer at det par-ti av statoren hvor varme innføres i arbeidsrommet, holdes på en relativt høy temperatur, mens utløpet holdes på en relativt lav temperatur. Andre varmeisolerende materialer såsom tre eller keramiske materialer kan også benyttes. i j Kraft tas ut av maskinen ved hjelp av en aksel som er festet til rotoren. Det vil forstås at maskinen kan fungere med høy hastighet og at den derfor er ideell som en liten drivkraft-kilde for et kjøretøy. Maskinen er også ideell for slike høy-hastighetsanvendelser som produksjon av elektrisk kraft.

i ,

Sammenlignet med dampmaskinen er maskinen ifølge foreliggende oppfinnelse mindre voluminøs fordi det ikke er nødvendig med i

hoen stor høytrykkskjeie da væsken oppvarmes i sin væsketilstand i en svært mye mindre varmeveksler. Videre er det ikke behov for noen kondensator, selv om en felle eller et spraykammer er ønskelig for resirkulering av vannet. Sammenlignet med forbrenningsmotoren kan maskinen ifølge foreliggende oppfinnelse ha høyere termisk virkningsgrad, både når det gjelder den mengde varme som omdannes til arbeid i arbeidsrommet og også når det gjelder mengden av varme som oppnås fra det forbrente brennstoff, fordi fullstendig forbrenning sjelden er oppnåelig i en forbrenningsmotor. Brennerparametrene for maskinen ifølge foreliggende oppfinnelse kan optimaliseres for å sikre fullstendig forbrenning av brennstoffet i brenneren, for derved så godt som fullstendig å eliminere foru-rensning i form av uforbrent brennstoff eller karbonmonoksyd.

Sammenlignet med kjente gassmotorer gjør foreliggende oppfin- neise det mulig å erstatte en stor gassvarmeveksler med en kompakt væskevarmer.

! I

Utførelseseksempler på oppfinnelsen skal beskrives i det føl-gende under henvisning til vedføyede tegninger.

i

Fig. 1 er et skjematisk riss av en rotasjonsmaskin med utvendig forbrenning ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er et skjematisk snitt av en varmeveksler for maskinen. Fig. 3 viser en sprayanornding for kjøling av avgasser fra brenneren.

i

Fig. 4 viser i delvis snitt en stator og en rotor for maskinen.

1 t

i!Fig. 5 viser trykk (P) som funksjon av volum (V) og temperatur (T) som funksjon av entropi (S) for rotasjonsmaskinen med utvendig forbrenning ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 6 viser for sammenligning PV- og TS-diagrammer for den kjente to-takts forbrenningsmotor.

i i

Rotasjonsmaskinen med utvendig forbrenning.som vist på fig. 1 'omfatter hovedsakelig en stator 1 som har en sylindrisk boring, en eksentrisk montert sylindrisk rotor 2 som er ro-tergar i statoren, vinger 3 som er glidbart montert på rotoren og som danner arbeidsrom P, en kompressor C for tilførsel av trykkluft til brenner B via felle T. Maskinen omfatter videre en pumpe X for tilførsel av vann under trykk til var-meren H, og et spraykammer S for spraying av vann gjennom avgassene fra brenneren B for å kjøle og vaske avgassene og forvarme vannet. En valgfri forvarmer PH er anordnet for å forvarme brennstoffet til brenneren og er spesielt nyttig ved bruk av tunge brenseloljer. Fellen T har til oppgave å fjerne og separere damp og væskeformet vann fra eksosen fra arbeidsrommet .

r

i

Atmosfærisk luft A komprimeres av kompressoren C og tilføres

bI rI enneren B via fellen T.I

i i

I |utgangspunktet har arbeidsrommet P hovedsakelig sitt maksimale volum.Ved rotasjon av rotoren 2 i den retning som pilen ■ angir, vil volumet av arbeidsrommet P minke. Når arbeidsrommets volum stort sett befinner seg ved sitt minimum, blir varm væske injisert gjennom innløpet 52 for å varme opp arbeidsrommet.

I i

Arrangementet vist på fig. 1 benytter vann, som er et fordampbart fluid, som varmeoverføringsmedium. Imidlertid kan andre egnede fordampbare væsker benyttes.

Det injiserte vann befinner seg ved høy temperatur og ved til-strekkelig trykk til å opprettholde det i væsketilstand. Når vann injiseres i arbeidsrommet P, vil en del av vannet umid-delbart gå over til damp, for derved å øke trykket i arbeidsrommet. Videre rotasjon av rotoren 2 tillater ekspansjon av dampen mens denne utfører arbeid, noe som resulterer i en reduksjon av dens temperatur og trykk. Et kompresjonsforhold i området mellom 10:1 og 20:1 er å foretrekke, eksempelvis ét; kompres jonsf orhold på 16:1.

I

Ve'd ytterligere rotasjon når arbeidsrommet P utløpet 51, gjennom hvilket gass og væske utstøtes til fellen T. Ved ytterligere rotasjon av rotoren 2 vil syklusen gjentas.

Eksos fra utløpet 51 inneholder væske og damp. Fellen T har én ledeplate 10 som er anordnet for å gjenvinne væskeformede vanndråper fra eksosen fra arbeidsrommet P. Den tørre, mettede damp i fellen T blandes med trykkluft fra kompressoren C,i for derved å forvarme forbrenningsluften som deretter føres til brenneren B. Tilskuddsvann W kan tilføres fellen T som nødvendig.

En valgfri tørrer D er innskutt mellom fellen T og brenneren, og: væskeformet kondensat returneres gjennom ledningen 7 til fellen.

Il- -i Forvarraeren PH forvarmer brennstoffet F, som deretter føres til brenneren gjennom ledningen 8. Eventuelt vann som konden-serer i avgassene resirkuleres via ledningen 9 til pumpen.

Maskinens funksjon er således som følger. Forvarmet vann fra spraykammeret S tilføres ved hjelp av høytrykkspumpen X (eksempelvis en stempelpumpe) til en varmekveil H som er utformet av rør med liten innvendig diameter. Vannet oppvarmes så ved hjelp av brenneren B til en høy temperatur og et høyt trykk, eksempelvis 300°C og 86 bar. I prinsipp kan vannet oppvarmes til en hvilken som helst temperatur over eller under sin kritiske temperatur og trykk (220,9 bar og 374°C). Imidlertid må trykket alltid være slik ved enhver temperatur at det holder vannet i væskeform. Det varme vann under trykk føres så gjennom et rør 50 til et innløp 52 i den innvendige boring av! statoren 1. Innløpet 52 står i forbindelse med et par nær-I ■ „ stående porter 53 som er anordnet side om side på en slik mate åt| kun én av dem til enhver tid dekkes av en vinge 3, for så-led<j>es å sikre kontinuerlig strømning inn i arbeidsrommet av rotor/statorinnretningen (se fig. 4). Arbeidsrommet som står i forbindelse med en port 53 inneholder komprimert og noe oppvarmet restvanndamp og en rest væskeformet vann. Ved inn-føring i arbeidsrommet vil en mindre del av det varme vann under trykk momentant fordampe, for således å øke trykket i arbeidsrommet ved hovedsakelig konstant volum (dvs. langs linjen' bc på fig. 5). Den varme damp under trykk ekspanderer og driver rotoren 2 i den retning som pilen angir inntil arbeidsrommet møter utløpet 51. Dette tilsvarer linjen cd på fig. 5 og resulterer i en økning i volumet samtidig med en minskning i trykk og temperatur. Eksosen føres så til fellen T for å forvarme luft til brenneren.

Fig. 2 viser varmevekslerens konstruksjon, som kombinerer varmekveilen H og brenneren B. Varmeveksleren omfatter indre og ytre koaksiale hylser 60 og 61, som danner en dobbel bane for avgasser fra brenneren. Isolasjon 64 er anordnet rundt utsiden av varmeveksleren. En brennstoffinnløpsdyse er anordnet for brenning av brennstoff F i luft A som tilføres via et luftinnløp. Vann W passerer gjennom en varmekveil H som omfatter en indre kveil 62 og en ytre kveil 63, i den retning som er angitt med piler, slik at vannet strømmer ut fra den indre kveil 62 ved et punkt som er nær den høyeste temperatur av brenneren. Varmt vann under trykk føres så gjennom røret 50' for injisering i arbeidsrommet P.

Vårmeren kan være forsynt med egnede følere for temperatur og trykk for å sikre at væsken i vårmeren H alltid holdes i væsketilstand og ikke tillates å fordampe. Imidlertid har

man funnet at det i praksis ikke er nødvendig å nøye overvåke temperaturen og trykket for å forhindre fordampning. Man har således oppdaget at dersom vårmeren H alltid står i forbindelse med en åpning som væske kontinuerlig tillates å passere gjennom (dvs. én eller flere av innløpsportene 53), vil til-førsel av ytterligere varme til vårmeren H bevirke en økning i jtemperatur og trykk men vil ikke, i det minste i tilfelle av vann, bringe væsken til å koke. Det er naturligvis nød-vendig at åpningen (eller portene 53) har egnet størrelse for å 'opprettholde nødvendig trykkdifferensial over disse. Imidlertid kan dette oppnås av fagmannen ved egnet eksperimenter-ing .

i j

Således kan maskinens arbeidsytelse reguleres ganske enkelt

i

ved å regulere mengden av varme som tilveiebringes av brenneren B.

Fig. 3 viser en sprayanordning for kjøling og vasking av avgassene fra brenneren B og således for gjenvinning av noe av varmen og noe av vannet som produseres ved forbrenningen.

Den omfatter et spraykammer 17 som inneholder en trakt 18 som vann sprayes på av en spray 41 gjennom strømmen av varme avgasser. Avgassene innsuges via innløpet 19 og innrettes til å strømme tangentialt rundt kammeret før de strømmer ut gjennom utløpet 20 som avkjølte avgasser. Avgassene passerer således gjennom sprayen og deretter gjennom et teppe av vann som faller ned fra den innvendige åpning av trakten 18. Fortrinnsvis kjøles avgassene til under 100°C for å gjenvinne den latente fordampningsvarme av vanndampen fra fellen T,i og også for å gjenvinne vann som produseres ved forbrenningen i o brenneren. Vann ved hovedsakelig 100 C strømmer ut gjennom utløpet 21 før det tilføres av pumpen X til.varmeveksleren. Om nødvendig kan kaldt fødevann W tilføres kammeret via en

i flottørventil 40 for å opprettholde konstant vannivå i bunnen av spraykammeret. En resirkulasjonspumpe R og tilsvarende ledninger 22 er anordnet for å resirkulere vannet gjennom sprayen og bringe det opp til sitt kokepunkt. Dersom det i praksis er ønskelig å kjøle avgassene til under 100°C, kan det imidlertid være nødvendig å ta vann ut gjennom utløpet

21 ved en betydelig lavere temperatur, eksempelvis 50°C.

Fig. 4 viser i detalj konstruksjonen av rotor/statorinnret-ningen. For temperaturer opp til flere hundre grader celsius, kan innretningen være utformet av egnet plastmateriale, noe som gjør innretningen lett.av vekt og muliggjør relativt bil-lig produksjon. Dersom høyere termisk virkningsgrad og således høyere temperaturer er nødvendig, kan imidlertid andre passende materialer såsom metall, benyttes. Rotoren 2 er eksentrisk montert i den sylindriske boring i statoren 1, og konvensjonelle tetningsmidler er anordnet ved enden av bor-ingen for å tette mellom rotoren og statoren. Hver vinge 3 på rotoren 2 er glidbart anordnet i en respektiv spalte 54

og tvinges utad ved hjelp av en skruefjær eller bladfjær.55 j(kun én er vist) som er anordnet i bunnen av spalten. Rotoren ér montert på en roterbar aksel (ikke vist) som strekker seg ut av statoren 4 for å avgi kraft,

i

Innløpet 52 for innføring av oppvarmet væske under trykk til arbeidsrommet, står i forbindelse med et par tilstøtende porter 53 i endeflaten av den sylindriske boring av statoren. Bruken av et par porter 53 sikrer at dersom én av portene stenges av kanten av en vinge 3, vil væske fortsatt bli injisert gjennom den andre port 53 for således å sikre en kontinuerlig væskestrøm fra vårmeren H. Således vil brå sjokk i høytrykksvæsken unngås. Væske strømmer kontinuerlig gjennom innløpet 52 inn i det av arbeidsrommene som måtte befinne seg foran innløpsporten 53.

Utløpet 51 åpner inn i den innvendige boring av statoren og 'søIr<g>e<r>for eksos fra hvert arbeidsrom P etter tur under rotorens rotasjon.

i i

i

konstruksjonen vist på fig. 4 er også fordelaktig fordi det er ønskelig å holde innløpet 50 og utløpet 51 så kjølig som mulig for å redusere temperaturen av eksosen, mens det er ønskelig å holde temperaturen av statoren i området for innløpet 52 for varm trykkvæske så høy som mulig for å sikre en høy temperatur ved overføringen av varme i arbeidsrommet. Dette forbedrer den termiske virkningsgrad ved omdannelsen av den varme som tilføres arbeidsrommet, til arbeid. Bruken av et materiale såsom et plastmateriale med lav termisk lednings-evne for statoren 1, muliggjør opprettholdelse av et høyere temperaturdifferensial mellom utløpet 51 på den ene side og innløpet for varm væske på den andre side.

i

i i

Fig. 5 viser den idealiserte termodynamiske funksjon av maskinen på fig. 1. Fig. 6 viser for sammenligningens skyld funksjonen av en konvensjonell to-takts motor.

Utien at man ønsker å begrense seg til noen bestemt teori, tror man at maskinens funksjon kan representeres som følger.

Fig. 5 viser PV og TS diagrammer. Knapt noe av det injiserte vann bråfordamper til damp, idet den hovedsakelige del forblir i væskefase som dråper.

Til enhver tid vil det befinne seg et restvolum av væskeformet og dampformet vann i arbeidsrommet. I en første tilnærmelse kan restvanndampen betraktes som et gassformig arbeidsfluid som opptar og avgir varme under hver funksjonssyklus for derved å utføre arbeid. Arbeidsrommet vil også inneholde en rest væskeformet vann.

Vanndampen i arbeidsrommet P kompri-

meres langs linjen ab. Kompresjonen er ikke isentropisk

på grunn av fordampning av restvann i arbeidsrommet.

Fordampning av restvann i arbeidsrommet under kompresjonen resulterer i en reduksjon av dampens entropi. Dersom det ikke var noen rest av væskeformet vann i arbeidsrommet, vil-

i

le adiabatisk kompresjon av vanndampen bringe linjen ab i TS diagrammet til å bli vertikal, dvs. vanndampen ville over-skrides. Ved tilstedeværelse av væskeformet vann vil imidlertid enhver tendens til overheting av vanndampen motvirkes av fordampning av noe av væsken. Således følger linjen ab den tørre, mettede damplinje på entropiklokken (vist med brutt linje) for vann.

Ved konstant volum injiseres varmt væskeformet vann under trykk ved punkt b ved en høyere temperatur enn arbeidsrommets, og en liten del av vannet fordamper slik at trykket øker langs bc fra til P . Temperaturen T av den tørre, mettede kamp øker også, mens entropien av den tørre damp minker til £•!

i

ii i

Når rotoren roterer, vil den vate vanndamp ekspandere langs cd. På grunn av tilstedeværelsen av varme vanndråper, vil imidlertid ekspansjonen ikke være adiabatisk, men polytropisk på grunn av varmeoverføring fra det væskeformede vann, slik at kurven cd på PV diagrammet flates ut. Ekspansjonen gir også et fall i T og en mindre økning i entropien S.

i Ved utstøting av arbeidsrommet faller trykket og temperaturen i arbeidsrommet langs da.

i

Betegnelsene a', b', c og d i TS diagrammet representerer

den syklus som vannet utsettes for. Således varmes det væskeformede vann i oppvarmningskveilen langs a'b' og injiseres i 'arbeidsrommet ved b_|_. Temperaturen av det væskef ormede vann faller deretter langs b'c etter injisering, og deretter er væske og damp i likevekt.

i

Typisk operasjon er som følger«oTrykket Pa ved a er 1,2 bar, og temperaturen T aer 378K (105 C). Ved et kompresjonsforhold på 16:1 vil trykket P^og temperaturen T^ved b stige til rundt 22 bar og 490K (217°C). Væskeformet vann ved 573K ;(300°C) og 86 bar injiseres så i arbeidsrommet ved b, og en mI iI ndre mengde blir til damp. For en ytelse på 15 hestekref-<1>ter blir typisk 5 ml vann injisert. Dette forårsaker en økning i trykk langs bc (typisk P =30 bar) og en økning i i. c

temperatur på grunn av injisering av varmere vann (T = 507K 1(234 C). Dersom vannet befinner seg ved samme temperatur 'som den komprimerte vanndamp, vil linjen bc på TS diagrammet være horisontal. Reduksjonen i entropi langs bc av vanndampen som opprinnelig befinner seg i sylinderen, stiger på grunn åv injiseringen av vann i væskeform. Når arbeidsrommet ekspanderer, vil vanndampen ekspandere langs cd til et trykk P^på omtrent 2 bar og en teoretisk temperatur T^på omtrent 393K (120°C).

Vanndampen og vannet i væskeform støtes så ut fra arbeidsrommet langs da og bevirker en senkning i temperatur og trykk, i

såmt en økning i entropi av dampen i arbeidsrommet.

I 'i

Fig. 6 viser den kjente totaktsmotor for sammenligningens skyld. Luft innføres ved a og komprimeres adiabatisk og isentropisk langs ab. Temperaturen ved b er større og stig-ningen av ab steilere enn for syklusen for foreliggende oppfinnelse. Tilstedeværelsen av væskeformet vann i arbeidsrommet i syklusen ifølge foreliggende oppfinnelse flater ut jab fordi energi kreves for å fordampe væskeformet vann under kompresjonen.

i

i

I totaktssyklusen brennes så brennstoff i sylinderen slik at trykk, temperatur og entropi øker langs bc. I.syklusen ifølge foreliggende oppfinnelse økes trykket bare litt på grunn av åt noe væskeformet vann fordamper, og temperaturen av vanndampen i arbeidsrommet øker. Imidlertid, mens det i totaktssyklusen skjer en økning i entropien langs bc, vil det i syklusen ifølge foreliggende oppfinnelse skje en minking i 'entropi av dampen i arbeidsrommet på grunn av tilførselen av væskeformet vann ved injiseringen.

Deretter skjer en adiabatisk isentropisk ekspansjon langs

cd, idet oppvarmet væskeformet vann i arbeidsrommet i syklusen'ifølge foreliggende oppfinnelse oppgir varme og forårsaker

derved en utflating av PV-kurven sammenlignet med kurven for totakts syklusen.

i

j j

Den høye termiske virkningsgrad for syklusen ifølge foreliggende, oppfinnelse skyldes det faktum at mens eksosgassen som utstøtes fra sylinderen i totaktssyklusen befinner seg ved en høy temperatur og et høyt trykk, vil i foreliggende oppfinnelse kun væskeformet vann og en mindre mengde damp støtes ut. Således blir væskeformet vann injisert i og ut-støtt fra arbeidsrommet.

Mesteparten av det injiserte vann forblir i væsketilstand etter injiseringen (bortsett fra den mindre mengde vann som går over til damp), og således er det ingen nevneverdig éntropi-økning på grunn av fordampning, slik at den indre energi som tapes av det injiserte vann omdannes omtrent fullstendig til nyttig arbeid. I det hele tatt er det ikke noe behov for spyling av arbeidsrommet ved enden av syklusen i foreliggende oppfinnelse, slik at varmen i vanndampen ikke går tapt. Tilstedeværelsen av restvann i dråpeform på veggene av arbeidsrommet sikrer at det inneholder den nødvendige ré'stvanndamp som trenges for en ny syklus. Linjen ae representerer åpning av eksosventilen før enden av slaget,

i

j

Den viste maskin med utvendig forbrenning er i stand til å gi én meget høy termisk virkningsgrad. Teoretisk føres kald luft A og kaldt vann W (om nødvendig) inn i maskinen, og kalde avgasser ventileres. Derfor kan nesten all varmen som avgis av brenneren omvandles til arbeid. I praksis håper man på virkningsgrader av størrelsesorden 50 til 80%.

i

Det vil forstås at maskinen ifølge foreliggende oppfinnelse kan konstrueres på en enkel måte fordi den ikke krever noen ventiler og ikke krever materialer med høy styrke. De rota-sjonshastigheter som oppnås gjør rotasjonsmaskinen med utvendig forbrenning ideelt egnet for bruk i kjøretøyer, hvor man . trenger et høyt forhold mellom ytelse og vekt. Således gir rotasjonsmaskinen med utvendig forbrenning ifølge oppfinnel- '

i

sen forhold mellom ytelse og vekt og ytelse og volum som er

sammenlignbare med forbrenningsmotorer, men har bedre termisk virkningsgrad. Siden det er mulig å gjøre forbrenningsfor-holdene i brenneren så optimale som mulig, er det videre mulig å oppnå omtrent fullstendig forbrenning av brennstoffet til karbondioksyd og vann og således unngå karbonmonoksyd

og forurensninger i form av uforbrent brennstoff i de utstøtte avgasser. Siden forbrenningen kan innrettes til å skje hovedsakelig ved atmosfærisk trykk, skjer det dessuten omtrent

ingen dannelse av nitrøse oksyder under forbrenningsprosessen. Derfor representerer foreliggende maskin en forbedring i forhold til forbrenningsmotorer ikke bare på grunn av dens termiske virkningsgrad, men også når det gjelder forurensende utslipp.

Videre er maskinen i stand til å benytte en lang rekke brennstoffer, f.eks. bensin, brenselolje, gassformede eller flytendegjorte hydrokarboner (inklusive metan, butan og propan), alkohol og til og med fast brennstoff såsom kull. Brenner-parameterne kan justeres for å sikre hovedsakelig fullstendig og forurensningsfri forbrenning. Videre kan maskinen gjøres stillere enn konvensjonelle forbrenningsmotorer.

Claims (1)

1. i I

   I» Rotasjonsmaskin med utvendig forbrenning hvor energien i

   'tilføres et arbeidsrom i maskinen ved hjelp av et varmeover-føringsmedium, omfattende

   j j en stator som har en rotor og danner et arbeidsrom,

   idet volumet av arbeidsrommet er syklisk varierbart ved rotasjon av rotoren mellom et minimums- og et maksimumsvolum;

   I j en varmeveksler for oppvarmning av varmeoverførings-mediet utenfor arbeidsrommet;

   hvilken stator har et utløp som kontrolleres for å ut-støte varmeoverføringsmediumet fra arbeidsrommet når arbeidsrommet befinner seg nær sitt maksimale volum; karakterisert ved at varmeveksleren (H) er innrettet for oppvarmning av varmeoverføringsmediet under et trykk som er slik at det holder mediet i væskeform; og at maskinen videre omfatter en injektor (52) som kontrolleres for å inji-,

   sere oppvarmet væskeformet medium i arbeidsrommet (P) når arbeidsrommet befinner seg nær sitt minimumsvolum, hvorved en del av det væskeformede medium spontant fordamper i arbeidsrommet mens den gjenværende del forblir i væskeform.

   2.' Maskin ifølge krav 1, karakterisert v 'e d at varmeveksleren (H) omfatter et rør eller rør som inneholder varmeoverføringsmedium og en brennstoffbrenner (B) for oppvarmning av mediet i røret eller rørene slik at mediet opprettholdes i væskefasen.

   ■3.j Maskin ifølge krav 2, karakterisert v 'e d at varmeveksleren omfatter et rør i form av en indre kveil (62) og en ytre kveil (63) som er koaksiale, idet brenneren er plassert i den innerste kveil slik at varme avgasser fra brenneren passerer gjennom den indre kveil og deretter mellom den indre kveil og den ytre kveil.

   4.' Maskin ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at luft tilføres brenneren ved hjelp av en roterende kompressor.

   15j Maskin ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at statoren og/eller jrotoren er utformet i det minste delvis av et varmeisolerende materiale såsom plaster, fiberforsterket harpiks, tre og , ^ keramiske materialer.

   i

   i

   i6. Maskin ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at rotoren er forsynt med en flerhet rygger, som sammen med det indre av sta- :

   'toren, danner en flerhet arbeidsrom.

   7. ' Maskin ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at statoren er forsynt med en flerhet kamneser som sammen med rotoren danner 'en flerhet arbeidsrom. i i I i

   • !8 J i Maskin ifølge et hvilket som helst av kravene 1-!5<,>karakterisert ved at det indre av statoren 1(1) er sylindrisk, og at rotoren (2) er eksentrisk montert <i .statoren og er forsynt med en flerhet radielt forløpende vinger (3) som danner arbeidsrom, idet hver vinge er belastet 'radialt utad for å tette mot den sylindriske innerflate av statoren.

   i

   li • '9.' Maskin ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at injektoren er anordnet med to innløp (53) som i omkretsretningen er innbyr-des adskilt slik at under rotorens rotasjon vil i det minste ett av innløpene forbli utildekket av rotoren til enhver tid.

   i "i

   10. Maskin ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at utløpet (51) er anordnet hovedsakelig 180° i rotasjon bort fra innløpet (52).

   r,

   11. Maskin ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at utløpet omfatter en port i sylinderveggen som kommer i forbindelse med arbeidsrommet når. volumet av arbeidsrommet nærmer seg sitt maksimum.

   '12. Maskin ifølge et hvilket som helst av de foregående i

   krav, karakterisert ved at kompresjonsforholdet er mellom 1,5:1 og 20:1.

   •i

   13. Maskin ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det er anordnet en resirkuleringsanordning for oppsamling av utstøtt varme-overf øringsmedium og resirkulering av dette til varmeveksleren.

   i i

   i

   14. Maskin ifølge krav 13, karakterisert v ;e d at resirkuleringsinnretningen er en lukket sløyfe som er opererbar ved stort sett atmosfæriske trykk.

   <!>

   i I

   !15. Maskin ifølge krav 13 eller 14, karakteri-

   s |e r t v e d at resirkuleringsinnretningen omfatter en i i

   felle (T) som har et innløp for varmeoverføringsmedium forbundet med utløpet av statoren, et innløp for luft, et utløp <j> for å mate luft og varmeoverføringsmediumsdamp til en brenner for varmeveksleren, og et utløp for væskemedium forbundet med

   varmeveksleren.

   i

   ii |16i . Maskin ifølge et hvilket som helst av de foregå.ende <i> krav, karakterisert ved at injektoren er innrettet til kontinuerlig å injisere væskeformet medium i statorens indre.

   <!> 17. Maskin ifølge et hvilket som helst av de foregående ikrav, karakterisert ved at maskinen videre omfatter en hastighetskontrollinnretning som er innrettet til a jregulere maskinens ytelse ved å regulere volumet av væskeformet varmeoverføringsmedium injisert i arbeidsrommet.

   18. Maskin ifølge krav 17, karakterisert ;

   ved at hastighetskontrollinnretningen er en pumpe med variabel kapasitet.

   l i

   19. Maskin ifølge et hvilket som helst av kravene 1 - 17, ;

   i kjarakterisert ved at maskinen videre omfatter eri hastighetsreguleringsinnretning som er innrettet til å regulere maskinens ytelse ved å regulere temperaturen av det væskeformede varmeoverføringsmedium som injiseres i arbeids-

   rommet .

   i

   ! i

   20. Maskin ifølge et hvilket som helst av de foregående

   krav, karakterisert ved at statoren og/eller rotoren er slik konstruert at noe væskeformet medium tilbake-

   holdes i arbeidsrommet etter utstøting av varmeoverføringsme-diet.

   I

   21. Maskin ifølge krav 20, karakterisert iv ,e d at statoren og/eller rotoren er forsynt med en utspar-ing for tilbakeholdelse av væskeformet medium.

   : i

   ;22. Fremgangsmåte for operasjon av en rotasjonsmaskin med utvendig forbrenning som har en stator og en rotor som danner et arbeidsrom, idet volumet av arbeidsrommet varieres syklisk mellom et minimumsvolum og et maksimumsvolum, hvor energi til-føres arbeidsrommet ved hjelp av et varmeoverføringsmedium, karakterisert ved de ytterligere trinn å

   ! i i

   1 1)' frembringe utenfor arbeidsrommet et oppvarmet varme-overf øringsmedium under et trykk som er slik at mediet holdes 'i Jvæsketilstand;

   2) injisere det oppvarmede væskemedium inn i mediumsdampen i arbeidsrommet, hvorved en del av væskemediet spontant ;fordamper mens den gjenværende del forblir i væskeform, og hever den indre energi av arbeidsrommet, og

   I |3) støte ut varmeoverføringsmediet fra arbeidsrommet og etterlate i arbeidsrommet en rest varmeoverføringsmediumsdamp.

   i

   123. Fremgangsmåte ifølge krav 22, karakteri-s ;e r t ved at varmeoverføringsmediet er vann, en olje, natrium, kvikksølv eller blandinger av disse.

   i

   124. Fremgangsmåte ifølge krav 22 eller 23, k a r a k - tjerisert ved at arbeidsrommet, før injisering,, inneholder varmeoverføringsmedium både i væskeform og damp-f orm.

   I

   25. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 22-24, karakterisert ved at i det minste noe av varmeoverføringsmediet som utstøtes fra arbeidsrommet, befinner seg i væskeform.

   26. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 22-25, karakterisert ved at det oppvarmede væskeoverføringsmedium har en temperatur og et trykk som er over eller under dets kritiske punkt, men er større enn dets kokepunkt ved atmosfærisk trykk.

   i

   i

   27. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 22-26, karakterisert ved at det utstøtte medium etter utstøtningen befinner seg på et trykk av hovedsakelig 1 atmosfære.

   28. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 22-27, karakterisert ved at hoveddelen av det injiserte væskemedium forblir i væskeform etter injisering i arbeidsrommet.

   29. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 22-28, karakterisert ved at temperaturen av det injiserte væskemedium er større enn temperaturen av arbeidsrommet på injiseringstidspunktet.

   ; i

   i i

   i i

   30. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 22-29, karakterisert ved at det oppvarmede væskemedium injiseres kontinuerlig.

   31. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 22-30, karakterisert ved at varmeoverførings-mediet er vann og at utstøtt vann resirkuleres til maskinen, idet varme tilføres mediumet ved hjelp av en brennstoff-luft-brenner, mens tap i resirkulert vann suppleres med kondensert vann fra avgassene fra brenneren. ■ 32. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene

   .22-31, karakterisert ved at varmeenergien omdannes til nyttig arbeid med en virkningsgrad som er større 'enn den teoretiske virkningsgrad for Rankine syklusen arbeidende mellom samme øvre og nedre temperaturer.

   i-l ;33. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 12 2 - 32, karakterisert ved at mediumsdampen i arbeidsrommet komprimeres av rotoren før injisering.

   i

   i

   |34. Sett av deler for omdannelse av en forbrenningsmotor til en rotasjonsmaskin med utvendig forbrenning ifølge krav

   !l,' karakterisert ved at det omfatter kombi-i i

   ^nasjonen av

   i

   en varmeveksler og en brennstoff-luft-brenner for oppvarming av væske under trykk;

   <!> '"!

   j i en kompressor for tilførsel av forbrenningsluft til brenneren;

   i

   en varmeisolert stator og rotor, hvilken stator har et utløp for væske og damp;

   j S <j1> en trykkpumpe for tilførsel av væske til varmeveks-i i

   lleren;

   i

   en injektor for injisering av væske under trykk i statoren;

   i 1 en måleinnretning for å regulere volumet av væske 'som injiseres; og

   i i

   j en :separatorfelle som har et første innløp for mot-Itågelse av våt damp fra statoren, og et andre innløp for mot-jtagelse av forbrenningsluft fra kompressoren, samt et første i .utløp for overføring av oppvarmet forbrenningsluft til bren-' i neI ren og et andre utløp for tilførsel av væske til pumpen. <1> '

   I35.F remgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene i

   1 22 - 33, karakterisert ved at injiseringen startes ved et punkt fra null til 90° etter at arbeidsrommet.

   har nådd sitt minimumsvolum.