WOLF, Bodo, Max (Bürgermeister-Betz-Str. 5, Mindelheim, 87719, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zur Umwandlung chemischer Brennstoffe in mechanische Energie mit Hilfe von Verbrennungskraftmaschinen, bei denen der durch mechanische Kompression und gegebenenfalls chemische Reaktion der Brennstoffe mit dem sauerstoffhaltigen Arbeitsmittel erreichte Druck und die Temperatur des Arbeitsmittels durch technische Arbeit leistend Expansion bis zum Umgebungsdruck genutzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Arbeitsmittels nach seiner mechanischen Kompression durch isobar-rekuperative übertragung von Wärme, vorzugsweise prozessinterne Abwärme und nachfolgend, vor der Expansion des Arbeitsmittels, die Temperatur und der Druck durch annähernd isochor- chemische Reaktion des Arbeitsmittels mit zugeführtem Brennstoff, angehoben werden.
2. Vorrichtung zur Umwandlung chemischer Brennstoffe in mechanische Energie, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Expansionskammern, gebildet durch Zylinder und Kolben, oder sich erweiternde Zellradkammern, oder durch Expansionsturbinen, die das nach mechanischer Kompression, rekuperativ-isobarer Wärmezuführung und isochorer Verbrennung vorliegende Arbeitsmittel aufnimmt und unter maximalerAbgabe von mechanischer Energie auf einen Druck entspannt, der für die Abführung des Abgases an die Umgebung erforderlich ist. |
Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung chemischer Brennstoffe in mechanische Energie
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.
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.
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.
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.
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.
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 isobar- rekuperative Vorwärmung des Arbeitsmittels nach seiner mechanischen Kompression durch das heiße Abgas aus der Expansion.
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.
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.
In der DE 197 34 984 wird vorgeschlagen, das Arbeitsmittel in den Verbrennungsmotoren nur so weit zu komprimieren, dass das durch den internen Verbrennungs- prozess 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.
Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, die dem Motor zugeführte Brennstoffwärme besser auszunutzen und den spezifischen Brennstoffwärmebedarf der Verbrennungskraftmaschinen weiter zu senken.
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.
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.
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.
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.
Der wirtschaftliche Vorteil der Erfindung liegt im um 20 bis 50 % niedrigeren Brennstoffverbrauch bei der Umwandlung von Brennstoffenergie in technische Arbeit im Anwendungsgebiet.
Ausführunqsbeispiele
Verfahren und Vorrichtung werden nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
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 0 C von der Maschine
angesaugt wurde. Nach der mechanischen Kompression hatte die Luft einen Druck von 5 bar, eine Temperatur von 200 0 C und dementsprechend ein Volumen von 0,254 m 3 /kg . Das volumetrische Verdichtungsverhältnis war damit 3 : 1.
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 0 C, unter annähernd isobaren Bedingungen, vorgewärmt wurde, wodurch das Volumen von 0,254 auf 0.512 m 3 /kg, unter realen Bedingungen also auf mehr als das Doppelte, stieg.
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.
Durch die Zuführung von Brennstoff für eine annähernd isochore Verbrennung, bis zu einer im Beispiel auf 1200 0 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 0 C, ausreichend für die rekuperative Vorwärmung der angesaugten und mechanisch komprimierten Luft.
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.
Die Steigerung der Arbeitsmitteltemperatur von 680 auf 1200 0 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.
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.
Beispiel 2
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.
Beispiel 3
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.
Beispiel 4
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.
Eine spezielle Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gemäß Figur 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.
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