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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung 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, wie
etwa in der
DE 117 106
A beschrieben, 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 gemäß 1 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 3 das
Arbeitsmittel bis zum Umgebungsdruck entspannen und nach Durchlaufen
des untern Totpunktes über
den Rekuperator 9 an die Umgebung 10 abgeben.