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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von chemischen Brennstoffen
aller Art, die mit sauerstoffhaltigen Gasgemischen vollständig oder
unvollständig verbrannt werden, insbesondere von flüssigen
und gasförmigen Brennstoffen, wie Benzin, Diesel- oder
Heizöl, Erdgas, sowie von Gasen und Flüssigkeiten
aus der chemischen Stoffumwandlung und der Fermentation, aber auch
von staubförmigen festen Brennstoffen, in mechanische Energie
mit Hilfe von Verbrennungskraftmaschinen.
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Das
Anwendungsgebiet ist der Bau von Verbrennungskraftmaschinen für
alle Bereiche der Volkswirtschaft, in denen chemische Brennstoffe
zum Zwecke der technischen Arbeit in mechanische Energie, insbesondere
für den Antrieb von Arbeitsmaschinen, von Verkehrsmitteln
sowie von Maschinen zur Erzeugung von Elektroenergie, umgewandelt
werden, sowie deren Anwendung im lokalen, kommunalen, gewerblichen
und industriellen Einsatz, sowie im Verkehrswesen selbst.
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Der
Stand der Technik bei der Umwandlung von chemischen Brennstoffen
in technische Arbeit mit Hilfe von Verbrennungskraftmaschinen ist
zwar im Detail sehr vielfältig, lässt sich aber
auf zwei Grundprinzipien zurückführen, nämlich
auf die Verbrennungsmotoren, die als zyklisch arbeitende thermische
Kreisprozesse mit Kompressions-, Brenn- und Expansionskammern ausgestattet
sind, die von Kolben und Zylindern nach dem Vorbild der Otto- und Dieselmotoren,
einschließlich der Vorschläge zur Kombination
beider Motorkonzepte, gebildet werden sowie auf die Strömungsmaschinen,
deren bekannteste Art die Gasturbinen sind.
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Das
bedeutendste Arbeitsmittel der Verbrennungskraftmaschinen zur Umwandlung
von chemischen Brennstoffen in mechanische Energie ist Luft, die
nach Kompression und direkter oder indirekter Zuführung
von Energie im Zuge der Expansion latente Energie und/oder kinetische
Energie in technische Arbeit umwandeln kann. Der entscheidende thermodynamische
Unterschied zwischen Verbrennungsmotor und Gasturbine liegt in der
Art der Übertragung von chemischer bzw. thermischer Energie
an das Arbeitsmittel. Beim Verbrennungsmotor erfolgt dies durch
chemische Reaktion des Arbeitsmittels Luft mit dem Brennstoff unter
Druck unter annähernd isochoren Bedingungen, was neben
der Temperatur den Druck des Arbeitsmittels im Zylinder erhöht,
während bei der Strömungsmaschine nach der mechanischen Kompression
der Luft die Übertragung der thermischen Energie zwar auch
durch chemische Reaktion des Arbeitsmittels Luft mit dem Brennstoff,
aber unter annähernd isobaren Bedingungen, erfolgen kann,
so dass sich nicht der Druck, sondern die Strömungsgeschwindigkeit
und damit die kinetische Energie des Arbeitsmittels erhöht.
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Bei
den Verbrennungsmotoren steht für die die technische Arbeit
leistende Expansion somit der Druckanstieg durch Kompression und
Verbrennung zur Verfügung, während bei den Strömungsmaschinen
nur der Druck aus der mechanischen Kompression zur Verfügung
steht.
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Die
Strömungsmaschine hat deshalb den Nachteil, dass ein höherer
Anteil der während der Expansion anfallenden technischen
Arbeit für die interne Kompression des Arbeitsmittels verwendet
werden muss. Der Verbrennungsmotor kann gegenüber den Strömungsmaschinen
somit einen größeren Teil der zugeführten
Brennstoffwärme in mechanische Energie umwandeln und an
externe Verbraucher abgeben. Eine wirksame Maßnahme zur
Verbesserung der Brennstoffausnutzung bei Strömungsmaschinen ist
die prozessinterne isobarrekuperative Vorwärmung des Arbeitsmittels
nach seiner mechanischen Kompression durch das heiße Abgas
aus der Expansion.
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Der
thermodynamisch entscheidende Nachteil der Verbrennungsmotoren ist,
dass der unter annähernd isochoren Bedingungen erzielte
weitere Druckaufbau im Motor selbst nicht vollständig zur Steigerung
der Ausbeute an technischer Arbeit genutzt werden kann, da für
die Kompression und Expansion das gleiche Zylindervolumen zur Verfügung steht.
Das nach der Expansion vorliegende Arbeitsmittel hat noch für
technische Arbeit nutzbare Drücke und Temperaturen. Diese
Eigenschaften des Arbeitsmittels ermöglichen die Kombination
des Verbrennungsmotors mit Turboladern, die das Arbeitsvermögen
der Abgase zur Druckerhöhung des Arbeitsmittels vor der
internen Kompression im Verbrennungsmotor nutzen.
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Die
Aufladung des Arbeitsmittels vor der motorinternen Kompression beseitigt
diesen grundsätzlichen Mangel des Kolbenmotors nicht, sie
ermöglicht nur den Bau kleinerer Motoren mit höherer
Leistung und verbessert das Masse zu Leistungs-Verhältnis der
Maschine. Eine indirekte Rückführung von Motorabwärme
in den Motorprozess erfolgt auf diese Art nur dann, wenn das zum
Zwecke des höheren Massedurchsatzes und damit der Reduzierung
der Motorabmessungen vom Turbolader im Druck erhöhte Arbeitsmittel
vor seiner Einleitung in den Motor nicht gekühlt wird.
Insbesondere bei großen Kolbenmotoren wird das aufgeladene
Arbeitsmittel aber gekühlt, so dass auch diese Methode
der indirekten Rückführung von Abwärme
nicht genutzt wird.
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In
der
DE 197 34 984 wird
vorgeschlagen, das Arbeitsmittel in den Verbrennungsmotoren nur
so weit zu komprimieren, dass das durch den internen Verbrennungsprozess
im Druck erhöhte Arbeitsmittel im anschließenden
Expansionstakt vollständig expandieren und so spezifisch
mehr Arbeit leisten kann. Des Weiteren wurde ebenda vorgeschlagen,
einen Verbrennungsmotor mit einer Strömungsmaschine, so
zu kombinieren, dass das Zusammenwirken von mechanischer Kompression
und annähernd isochorer Verbrennung beim Druckaufbau vor
der Expansion optimiert und damit zur Verbesserung der Brennstoffausnutzung
genutzt wird.
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Die
technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, die dem Motor zugeführte
Brennstoffwärme besser auszunutzen und den spezifischen
Brennstoffwärmebedarf der Verbrennungskraftmaschinen weiter
zu senken.
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Gelöst
wird die technische Aufgabe mit Verbrennungskraftmaschinen dadurch,
dass der durch mechanische Kompression und annähernd isochore Verbrennung
aufgebaute Druck des Arbeitsmittels ohne Zwischenkühlung
durch Expansion bis nahe Umgebungsdruck vollständig zur
Umwandlung von Brennstoffwärme in technische Arbeit genutzt
wird, wobei erfindungsgemäß die Temperatur des
Arbeitsmittels, vorzugsweise Luft, nach der mechanischen Kompression,
aber vor der Zuführung von Brennstoff, durch isobar-rekuperative
Zuführung von Wärme, vorzugsweise prozessinterner
Abwärme, und nachfolgend die Temperatur und der Druck durch
annähernd isochore Verbrennung angehoben werden.
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Es
ist somit erfindungsgemäß, das Arbeitsmittel der
Verbrennungskraftmaschinen, gleich welcher Bauart, nach der mechanischen
Kompression nicht nur nicht zu kühlen, sondern isobar-rekuperativ weiter
zu erwärmen bevor seine Temperatur und sein Druck durch
chemische Reaktion mit dem Brennstoff unter annähernd isochoren
Bedingungen weiter gesteigert werden.
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Die
Vorrichtungen des Standes der Technik der Verbrennungskraftmaschinen,
also die Verbrennungsmotoren, bei denen mechanische Kompression,
Verbrennung und mechanische Expansion im selben, von einem Zylinder
und einem Kolben gebildeten Raum zwangsgekoppelt stattfinden, und
die Strömungsmaschinen mit zwischen mechanischer Kompression
und Expansion integrierter annähernd isobarer Verbrennung
sind, sind selbst in ihrer Ausführung als Rekuperationsgasturbine
für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht geeignet, da bei Verbrennungsmotoren des Standes der Technik
eine rekuperative Vorwärmung des Arbeitsmittels nach der
motorinternen mechanischen Kompression nicht möglich ist,
und Gasturbinen eine über den Druck des Arbeitsmittels
steigernde, annähernd isochore Verbrennung der Brennstoffe
nicht ermöglichen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist deshalb gekennzeichnet
durch eine Expansionskammer, gebildet durch einen Zylinder und einen
Kolben oder eine sich erweiternde Zellradkammer oder durch eine Expansionsturbine,
die das nach mechanischer Kompression, isobar-rekuperativer Wärmezuführung und
annähernd isochorer Verbrennung vorliegende, gegenüber
der mechanischen Kompression größere und unter
höherem Druck stehende Arbeitsmittelvolumen aufnimmt und
unter maximaler Abgabe von technischer Arbeit auf einen minimalen
Druck expandiert, der zur Abgabe des Abgases an die Umgebung erforderlich
ist.
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Der
wirtschaftliche Vorteil der Erfindung liegt im um 20 bis 50% niedrigeren
Brennstoffverbrauch bei der Umwandlung von Brennstoffenergie in
technische Arbeit im Anwendungsgebiet.
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Ausführungsbeispiele
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Verfahren
und Vorrichtung werden nachstehend anhand von Beispielen näher
erläutert
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Beispiel 1
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Für
die Kompression und Expansion wurde eine Hubkolbenmaschine eingesetzt,
bei der die Kompression und Expansion erfindungsgemäß in verschiedenen
Zylindern durchgeführt wurden. Arbeitsmittel war trockene
Luft. Ein Zylinder komprimierte die trockene Luft, die mit 1 bar
und 15°C von der Maschine angesaugt wurde. Nach der mechanischen
Kompression hatte die Luft einen Druck von 5 bar, eine Temperatur
von 200°C und dementsprechend ein Volumen von 0,254 m3/kg. Das volumetrische Verdichtungsverhältnis
war damit 3:1.
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In
diesem Zustand wurde die Luft aus dem Zylinder gedrückt
und im Gegenstrom einem Rekuperator zugeführt, in dem sie
durch Abgas aus der Expansion auf 680°C, unter annähernd
isobaren Bedingungen, vorgewärmt wurde, wodurch das Volumen
von 0,254 auf 0.512 m3/kg, unter realen
Bedingungen also auf mehr als das Doppelte, stieg.
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Danach
wurde das Arbeitsmittel einer Brennkammer oder mehreren Brennkammern
zugeführt, die vom Kolben und dem Zylinder beim Stand des Kolbens
im oberen Totpunkt gebildet wurden, und in denen das nach der Rekuperation
vorliegende Gasvolumen vollständig zum Zwecke der annähernd
isochoren chemischen Reaktion mit zugeführtem Brennstoff
(isochore Verbrennung unter Bildung von Verbrennungsgas) und nachfolgender
Expansion auf Umgebungsdruck aufgenommen wurde.
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Durch
die Zuführung von Brennstoff für eine annähernd
isochore Verbrennung, bis zu einer im Beispiel auf 1200°C
begrenzten Temperatur, stieg der Massedurchsatz gegenüber
der Ansaugung um ca. 1,4% und der Druck des Gasgemisches aus der komprimierten
und vorgewärmten Luft und den Verbrennungsgasen auf ca.
7,6 bar in der Brennkammer. Durch nachfolgende, mechanische Energie
liefernde Expansion des nach der Verbrennung vorliegenden Gasgemisches
auf annähernd Umgebungsdruck erreichte dieses eine Temperatur
von ca. 700°C, ausreichend für die rekuperative
Vorwärmung der angesaugten und mechanisch komprimierten
Luft.
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Die
Expansion im Zylinder auf Umgebungsdruck ist nur möglich,
wenn wie erfindungsgemäß das volumetrische Expansionsverhältnis
dem volumetrischen Kompressionsverhältnis angepasst ist,
d. h. der Gasraum im Zylinder beim oberen Totpunkt des Kolbens (Brennkammer)
den Volumenzuwachs aus der isobaren Wärmeübertragung
aufnehmen kann. Dies wird erreicht durch eine Anpassung der Zylinderbohrung
der Brennkammer an die des Kompressionszylinders, bzw. der Summe
der Zylinderbohrungen an den Volumenstrom und an den Kolbenhub zur
Sicherung der Expansion bis zum Umgebungsdruck.
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Die
Steigerung der Arbeitsmitteltemperatur von 680 auf 1200°C
bei adiabater Verbrennung erfordert die Zuführung von ca.
610 kJ Brennstoffwärme/kg Arbeitsmittel. Demgegenüber
kann das Arbeitsmittel bei seiner Expansion auf einen Druck von 1,1
bar und einem inneren Wirkungsgrad der Maschine von 90% 585 kJ/kg
technische Arbeit leisten, wovon 200 kJ/kg für die Kompression
des Arbeitsmittels aufgewendet werden müssen.
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Damit
ergibt sich, dass die erfindungsgemäße rekuperative
Einkopplung von prozessinterner Abwärme in den Kraftprozess
einer erfindungsgemäß modifizierten Hubkolbenmaschine
den Brennstoffbedarf bei gleicher technischer Arbeit halbieren kann.
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Beispiel 2
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Das
Verfahren wurde mit einer Vorrichtung bestehend aus einem Turbokompressor,
einem Rekuperator und einer Kolbenmaschine realisiert, bei der die
Kompression des Arbeitsmittels mit dem Turbokompressor und die annähernd
isochore Verbrennung des Brennstoffes mit erfindungsgemäß rekuperativ
vorgewärmter Luft und die Expansion in den Zylindern der
Kolbenmaschine durchgeführt wurde.
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Beispiel 3
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Das
Verfahren wurde realisiert mit einer Vorrichtung, bei der die Kompression
und die Expansion in Turbomaschinen erfolgte, wobei die annähernd isochore
Verbrennung der Brennstoffe mit der rekuperativ vorgewärmten
Luft in Zylindern einer Kolbenmaschine oder in einer Zelle eines
Zellrades, aus denen das Verbrennungsgas der Expansionsstufe der Turbomaschine
zufloss, also zwischen der Kompression und Expansion in Turbomaschinen,
erfolgte.
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Beispiel 4
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Das
Verfahren wurde hier mit einer Vorrichtung realisiert, die erfindungsgemäß aus
zwei Zellrädern, einem mit einem kleineren und einem mit
größerem vergleichbaren Kammervolumen, und einem Rekuperator
bestand, wobei das Kammervolumen des großen Zellrades bei
gleicher Stellung der Zellen gegenüber dem des kleineren
Zellrades dem Verhältnis der Volumen des Arbeitsmittels
von nach zu vor der rekuperativen Wärmezufuhr größer
war, d. h. Luft als Arbeitsmittel wurde mit dem kleineren Zellrad
mechanisch komprimiert und danach rekuperativ vorgewärmt.
Nach der Vorwärmung wurde das Arbeitsmittel der sich nach
dem oberen Totpunkt öffnenden Kammer des größeren
Zellrades so lange über eine Gaszuführungsöffnung
zugeführt wie es annähernd isobar möglich
war. Unmittelbar nach Beendigung der Gaszuführung wurde
die Luft in der sich nun gebildeten zweiten Kammer des Zellrades
mit Brennstoff beladen und die annähernd isochore Verbrennung
unter Druck- und Temperaturanstieg durchgeführt. Die sich
danach weiter öffnenden Zellradkammern des großen
Zellrades ermöglichten eine Expansion bis nahe Umgebungsdruck.
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Eine
spezielle Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist gekennzeichnet durch zwei Zellräder, die im Zellradgehäuse
1 durch einen zentrischen Zellradkern 2 und einen exzentrischen
Ringläufer 3, der die die Kammern bildenden Scheiben 4 führt,
von denen angetrieben wird und die Expansionsarbeit nach außen
abführt, so gebildet wird, dass die Volumina der Kammern
des äußeren Zellrades 5 zu den Kammern des inneren
Zellrades 6 dem Verhältnis der Volumina des Arbeitsmittels
von nach zu vor der rekuperativen Vorwärmung entspricht.
Die Kammern des innere Zellrades 6 dienen der Ansaugung und mechanischen
Kompression der Luft und deren Zuführung zur isobar-rekuperativen
Vorwärmung, während die sich nach dem oberen Totpunkt bildende
Kammer des äußeren Zellrades 5 das isobar-rekuperativ
vorgewärmte Arbeitsmittel aufnimmt, sich in Drehrichtung
nach Verschluss der Arbeitsmittelzuführung im äußerem
Zellrad als Brennkammer 7 ausbildet, in der der Brennstoff eingebracht
wird und die isochore Verbrennung stattfindet, bevor die sich in
Drehrichtung weiter vergrößernden Kammern 8 unter
Abgabe von technischer Arbeit über den exzentrischen Ringläufer
2 das Arbeitsmittel bis zum Umgebungsdruck entspannen und nach Durchlaufen des
untern Totpunktes über den Rekuperator 9 an die Umgebung
10 abgeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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