DE102011107541B4

DE102011107541B4 - Wirkungsgradsteigerung einer stationären oder mobilen Verbrennungsarbeitsmaschine durch einen geschlossenen Verbrennungsprozess

Info

Publication number: DE102011107541B4
Application number: DE102011107541A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: DE102011107541A1

Abstract

Eine Verbrennungsarbeitsmaschine verbrennt einen Kraftstoff mit reinem Sauerstoff bei exaktem stöchiometrischen Verhältnis. Der Verbrennungsprozess ist geschlossen. Die Entspannung des Verbrennungsprodukts wird bis zum flüssigen Zustand durchgeführt. a. Wechselseitige Befüllung und Entnahme des Verbrennungsprodukts im Vorratsbehälter: Bei kontinuierlichem Betrieb wird durch ein Absperrventil der erste gefüllten Verbrennungsproduktsvorratsbehälter entkoppelt. In der Zeit, in der der erste Verbrennungsproduktvorratsbehälter entleert wird, wird der zweite Verbrennungsproduktvorratsbehälter befüllt. b. Kontinuierliche Entnahme des Verbrennungsprodukts: Bei der kontinuierlichen Verbrennungsproduktentnahme wird das Verbrennungsprodukt unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche (vereinfachte Beschreibung Wasseroberfläche) im Verbrennungsproduktvorratsbehälter abgesaugt. Ohne Luft in den Verbrennungsgasen lässt sich mit dem Beispielskraftstoff Wasserstoff am leichtesten das Entspannen der Verbrennungsgase bis zum flüssigen Zustand am einfachsten erreichen. Dies bewirkt eine sehr große Wirkungsgradverbesserung bei allen Verbrennungsarbeitsmaschinen.

Description

Stand der Technik:

1. Ein Verbrennungsmotor funktioniert wie folgt: Eine brennbare Substanz wird gezündet und mit Luftsauerstoff verbrannt. Hubkobenmotore und Kreiskolbenmotore machen aus der Volumenvergrößerung und der Druckerhöhung mechanische Arbeit.
2. Eine Gasturbine funktioniert wie folgt: Eine brennbare Substanz wird gezündet und mit Luftsauerstoff verbrannt. Gasturbinen machen aus der Volumenvergrößerung und Druckerhöhung mechanische Arbeit.
3. Eine GuD Turbine funktioniert wie folgt: (Eine Gasturbine und ein Dampfturbine kombiniert) Eine brennbare Substanz wird gezündet und mit Luftsauerstoff verbrannt. Die Gasturbine macht aus der Volumenvergrößerung und der Druckerhöhung mechanische Arbeit. Die Dampfturbine ist nachgeschaltet und macht mit der Abwärme der Gasturbine Wasserdampf, der in der Dampfturbine ebenfalls nochmals in mechanische Arbeit ungewandelt wird. Bei diesen zwei zusammengeschalteten Turbinen überträgt ein Wärmetauscher die Abwärme der Gasturbine zur Dampfturbine. Bei der GuD Turbine werden Gesamtwirkungsgrade bis 60% erreicht.
4. Die Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennkammer ist Stand der Technik. Die Saturn 1 Rakete hatte 1961 eine Brennkammer mit einer stöchiometrische Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff. Die Nachfolgerrakete 1969 war Appollo 11 für die Mondlandung, diese hatte ebenfalls eine Brennkammer mit einer stöchiometrische Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff.
5. Ein Wärmetauscher an der Brennkammer wird als Stand der Technik angesehen. Dieser kühlt die Brennkammer und fügt später die Wärme bei einer mehrstufigen Turbine wieder in den Prozess ein.
6. Als Stand der Technik wird die europäische Patentanmeldung EP 1 375 827 A1 angesehen. In EP 1 375 827 A1 wird erfindungsgemäß ein Dampfkraftwerk mit einem Dampferzeuger (5) beschrieben, das mit Kohle beheizt wird. Der Dampferzeuger ist Bestandteil des Dampfkraftwerks. Nach dem Dampferzeuger (5) und der Hochdruckturbine (11) wird eine Brennkammer eingebaut, die auch mit Wasserstoff und reinem Sauerstoff betrieben werden kann. Der Brennkammereinbau ist der Neubestandteil der Erfindung. Dieser Einbau ermöglicht eine schnellere Leistungsanpassung für den unteren Teilastbetrieb. Diese schematische Brennkammer gibt es auch bei Saturn 1 vom Jahr 1961 und bei Apollo 11 vom Jahr 1969. Der anschließende Aufbau des Dampfkraftwerks ist ein normales Dampfkraftwerk. Nach dem Kondensator wird das Kondensat (Wasser) wieder in dem Dampferzeuger (5) verdampft.
7. Als Stand der Technik wird die Österreichische Patentanmeldung AT 504 863 A1 angesehen. Diese Erfindung bezieht sich in allen Einzelheiten auf die Vergasung von fester Kohle für die Verbrennung in einer Gasturbine. Feste Kohle enthält auch Wasserstoff und eine Menge anderer Stoffe. Der Gasturbine ist eine Dampfturbine nachgeschaltet. Dies Erfindung bezieht sich im Satz 1 der Patentansprüche auf ein GuD Kraftwerk und es wird in keinem anderen Patentanspruch auf eine andere Bauweise als auf die GuD Bauweise verwiesen. Das CO₂ wird hier noch zusätzlich als Spülgas in der Gasbrennkammer für eine Brennraumkühlung verwendet und anschließen ausgeschieden. Das ist eine Abgasrückführung. Der geringe Wasserstoffanteil in der Kohle wird in der Brennkammer verbrannt und gehört zu dem Abgasgemisch der Gasturbine, das aus Kohlendioxid und Wasserdampf besteht. Bei der Trennung von diesen zwei Gasen entstehen Verluste, somit kann dann nur noch ein geringerer Energieanteil des abgetrennten Wasserdampfes in den Dampfturbinenprozess einspeist werden. Vorausgesetzt die Trennarbeit ist geringer als der Energiegehalt des gewonnenen Wasserdampfes. Der eingeführte Dampf in den Dampfturbinenprozess der vom Wasserstoffgehalt der Kohle stammt muss auch wieder ausgeführt werden.
8. Als Stand der Technik wird die Offenlegungsschrift De 196 32 179 A1 angesehen. Diese Erfindung beschreibt zwar alle Verbrennungsarbeitsmaschinen (Kolbenmotoren und Turbinen) und schützt die Verwendung des Zyklus Erweiterungsfluid durch die aufgeführten Patenansprüche in jeder Variation. Diese Erfindung hat die Aufgabe, dass durch das Zyklus-Erweiterungsfluid zu hohe Temperaturen und zu hohe Drücke vermeiden werden können.
9. Zu EP 1 375 827 A1 : Die nun eingereicht Erfindung hat keine Rückführung des Kondensats, was aber bei der EP 1 375 827 A1 Bestandteil des Dampfkraftwerk ist und auch Bestandteil jeder Dampfturbine ist. Die Kondensatpumpe und der Dampferzeuger entfallen, und somit werden diese Energieverluste eingespart. Ebenfalls ist keine Brennkammer für den Dampferzeuger erforderlich. Bei der nun eingereichten Erfindung ist das Verbrennungsprodukt das alleinige Arbeitsmedium und erst diese Anordnung erreicht den unvergleichbaren hohen thermodynamischen Wirkungsgrad, weil das komplette Verbrennungsprodukt kondensiert wird, denn bei der EP 1 375 827 A1 ist noch eine Brennkammer vor dem Verdampfer.
10. Zu AT 504 863 A1 2008-08-15: Die nun eingereichte Erfindung ist ganz anders aufgebaut als bei der AT 504 863 A1 2008-08-15. Bei der nun eingereichten Erfindung ist das Verbrennungsprodukt das alleinige Arbeitsmedium und erst diese Anordnung erreicht den unvergleichbaren hohen thermodynamischen Wirkungsgrad, weil das komplette Verbrennungsprodukt kondensiert wird. Die AT 504 863 A1 2008-08-15 hat einen Wärmetaucher für den Dampferzeuger (Dampfkessel), einen Dampferzeuger und eine Kondensatpumpe. All diese Aggregate werden für die nun eingereichte Erfindung nicht gebraucht.
11. Zu De 196 32 179 A1 : Die nun eingereichte Erfindung ist ganz anders aufgebaut als bei der De 196 32 179 A1 . Ein verdampfen und kondensieren des Zyklus-Erweiterungsfluid bring keine Energiegewinnung, die in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. Das hat auch der Patentanmelder von der De 196 32 179 A1 erkannt und beschrieben. Siehe bei De 196 32 179 A1 Spalte 4 die letzte Ziele und Spalte 5 die ersten 3 Zeilen. Alle zuvor aufgeführten drei Patentanmeldungen EP 1 375 827 A1 , AT 504 863 A1 2008-08-15 und DE 196 32 179 A1 überschneiden in keinem Fall die nun eingereichten Patenansprüche.

Beschreibung der Patentanmeldung
Fachgebiet:

Thermodynamik.

Beispiel für stöchiometrische Verbrennung: 2H₂ + O₂ wird zu 2H₂O
Als Beispiel für den Kraftstoff wird die Verbrennung von reinem Wasserstoff als Kraftstoffbeispiel vereinfachend angeführt.
Der patentfähige Anspruch ist, dass bei einem reinen Verbrennungsmotor und bei einer reinen Verbrennungsturbine die Verbrennungsprodukte den Verbrennungsmotor und Verbrennungsturbine flüssig verlassen. Durch dies Anordnung werden alle bisherigen thermodynamischen Wirkungsgrade übertroffen. Das ist der Grundgedanke der Patentanmeldung.
Ein Verbrennungsmotor (Hub- oder Kreiskolbenmotor) oder eine Verbrennungsturbine wird nur mit Kraftstoff und reinem Sauerstoff betrieben. Der Oberbegriff für diese zwei unterschiedlichen Anordnungen ist die Verbrennungsarbeitsmaschine.
Der Beispielkraftstoff „reiner Wasserstoff” wird mit reinem Sauerstoff gezündet und verbrannt. Dabei darf der komplette Verbrennungsraum nur mit Wasserdampf gefüllt sein ohne viel flüssige oder gasförmige andere Moleküle oder Atome. (Wegen Partialdruckaddition.) Das Verbrennungsprodukt ist am Anfang reiner Wasserdampf.
Eine Verbrennungsturbine oder ein Verbrennungsmotor macht aus der Volumenvergrößerung und der Druckerhöhung mechanische Arbeit. Das ist Stand der Technik.
Der patentfähige Anspruch ist, dass am Ende des Verbrennungsprozesses das Verbrennungsprodukt verflüssig wird und somit die Entspannungsenergie bis zum Kondensieren in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Ähnlich wie bei den Dampfturbinen im Kondensator. Stationäre oder mobile Kühlung ist wie bei den Gasturbinen, Dampfturbinen und Verbrennungsmotoren im allgemeinen nach dem Stand der Technik anzuwenden und hier speziell ist die Kühlung bis zum Kondensieren der Verbrennungsgase anzuwenden, sowohl bei stationärem als auch bei mobilem Einsatz der Verbrennungsarbeitsmaschine muss die Kühlung bis zur Kondensation des Verbrennungsgases fortgesetzt werden.
Eine zusätzliche Kühlung ist bei der Verbrennung von Wasserstoffund Sauerstoff dadurch möglich, dass bei der Verwendung von komprimiertem gasförmigen Kraftstoff (z. B. Wasserstoff) und dem komprimiertem gasförmigen reinen Sauerstoff die Entspannungskälte genützt werden kann. Dies bringt nochmals eine Wirkungsgradsteigerung mit sich, da dadurch die Kondensattemperatur nochmals erniedrigt werden kann und das erhöht den Wirkungsgrad nochmals.
Die gesamte Verbrennung ist ein geschlossener Prozess: Das heißt, dass es keine Rückführung des kondensierten Verbrennungsprodukts gibt und es wird auch nichts hinzugeführt.

1. Für die Verbrennungsturbine heißt das: Der Kraftstoff (z. B. Wasserstoff) und der reine Sauerstoff wird in die Brennkammer eingeleitet und gezündet. Das Verbrennungsprodukt ist Wasserdampf. Die Druckerhöhung und Volumenvergrößerung wird in einer mehrstufigen Gasturbine in mechanische Energie umgewandelt. Der Turbine ist ein Kondensator nachgeschaltet. Somit können die Verbrennungsgase bis zu einem Druck von 0,005 MPa (0,05 bar) und kleiner entspannt werden. Das Endprodukt des Verbrennungsgases ist bei dem Beispielkraftstoff „Wasserstoff” reines Wasser.
1.1 Für den Verbrennungsmotor heißt das: Der Kraftstoff (z. B. Wasserstoff) und der reine Sauerstoff wird in die Brennkammer, hier in den Brennraum von Zylinder und Kolben eingeleitet und gezündet. Das Verbrennungsprodukt ist Wasserdampf. Dem Verbrennungsmotor ist ein Kondensator nachgeschaltet. Somit können Verbrennungsgase bis zu einem Druck von 0,005 MPa (0,05 bar) und kleiner entspannt werden. Das Endprodukt des Verbrennungsgases ist bei dem Beispielkraftstoff „Wasserstoff” reines Wasser. Um aber einen möglichst größen Wirkungsgrad zu erzielen, sollte beim Verbrennungsmotor noch eine Kondensatturbine mit einem Kondensator nachgeschaltet werden. Die Kondensatentnahme, oder die Kondensatabführung ist für die Verbrennungsturbine und den Verbrennungsmotor in gleicher Ausführung möglich.
2. Für die wechselseitige Entnahme heißt das: Das Wasser wird in einem Vorratsbehälter aufgefangen und gelagert bis dieser Behälter voll ist. Ein zweiter Vorratsbehälter ist ebenfalls Bestandteil der Verbrennungsarbeitsmaschine. Ist der erste Verbrennungsproduktauffangbehälter (Wasserbehälter) voll, so wird der zweite Verbrennungsproduktauffangbehälter (Wasserbehälter) durch ein Absperrventil geöffnet und der erste durch ein Absperrventil geschlossen. Jetzt nach der Entkopplung kann der erste Wasserbehälter entleert werden. Nach der Entleerung wird der Verbrennungsproduktauffangbehälter randvoll mit Wasserdampf gefüllt und wieder angekoppelt. Erst wenn der zweite Wasserbehälter voll ist, darf der erste Behälter wieder mit dem Verbrennungsprodukt Wasser befällt werden.
3. Eine zweite mögliche Entleerung des Verbrennungsproduktauffangbehälters ist: Das Verbrennungsprodukt Wasser wird nach der Entkopplung mit Wasserdampf aus dem Auffangbehälter hinausgedrückt.
4. Die dritte Entleerungsmöglichkeit ist: Wenn ein Zylinder gefüllt wird und ein Kolben schiebt nach Entkopplung das Wasser aus dem geschossenen System.
5. Die kontinuierlicher Entleerung ist: Das Verbrennungsprodukts wird unter dem Wasserspiegel im Verbrennungsproduktauffangbehälter mit einer Vakuumpumpe aus dem geschlossenen Prozess abgesaugt.

Um unverbrannten Kraftstoff und unverbrauchten Sauerstoff zu eliminieren, kann noch zusätzlich eine katalytische Nachverbrennung eingebaut werden.
Kohlenwasserstoffe als Kraftstoff sind weniger eignet, da die Verflüssigung des Kohlendioxid für einen Unterdruck gleich fest wird. Ein Unterdruck, der den Wirkungsgrad einer Kondensatturbine im Normalfall nachhaltig verbessert ist mit einer Mischung aus Kohlendioxiddampf und Wasserdampf nicht möglich. Um einem Druck kleiner dem Atmosphärischen Druck bei CO₂ zu erreichen wird eine Kondensattemperatur von –78,5°C benötigt und bei H₂O nur eine Temperatur kleiner als 100°C (Die Partialdrücke einer Gasmischung addieren sich.)
Der Beispielkraftstoff „Wasserstoff” hat den großen Vorteil, dass sein Verbrennungsprodukt Wasserdampf ist und Wasserdampf lässt sich ohne viel Aufwand verflüssigen.
Eine Rückführung des Verbrennungsprodukts Wassers in die Brennkammer findet nicht statt.
Vorteile dieser nun eingereichten Patentansprüche:

1. Gas- und Dampfturbine sind nur eine Turbine mit den selben Vorteilen wie beim GuD Prozess.
2. Ein Wärmetauscher für den Dampferzeuger, wie er bei einer Dampfturbine und einer GuD Turbine eingebaut ist, wird nicht mehr benötigt. Diese Energieverluste werden eingespart.
3. Eine Verdampfung des Wassers, wie in einer Dampfturbine und in einer GuD Turbine gibt es nicht mehr. Die Speisewassererwärmung entfällt.
4. Das Aggregat Verdampfer und die Speisewasserpumpe gibt es nicht mehr. Diese Verluste können in mechanische Arbeit umgewandelt werden.
5. Die Entspannungskälte des gasförmig komprimierten Kraftstoffs und des gasförmig komprimierten Sauerstoffs erhöht den Wirkungsgrad, da mit dieser Entspannungskälte die Kondensatortemperatur im Kondensator zusätzlich abgesenkt werden kann.
6. Anders als beim herkömmlichen Verbrennungsmotor und bei der Gasturbine müssen die riesigen Mengen der Verbrennungsgase (volumenmäßig ca. 1000 × mehr als flüssig) nicht mehr gegen den atmosphärischen Druck (1 bar) ausgestoßen werden.
7. Der Wirkungsgrad einer GuD Turbinen liegt bei 60%. Bei der Verbrennung von reinem Wasserstoff mit reinem Sauerstoff in einem Verbrennungsmotor nach dem eingereichten Patentanspruch ist ein Wirkungsgrad von 70% zu erwarten, wenn dem Verbrennungsmotor noch eine Kondensatturbine nachgeschaltet ist.
8. Bei der Verbrennung von reinem Wasserstoff mit reinem Sauerstoff in einer Verbrennungsturbine nach dem eingereichten Patentanspruch ist ein Wirkungsgrad von 75% zu erwarten.
9. Der Beispielkraftstoff „Wasserstoff” und der reine Sauerstoff kann mit der im Patentanspruch angeführten Verbrennung in einer Turbine und in einem Motor alle Verbrennungsarbeitsmaschinen ersetzen, sowohl mobile als auch stationäre Arbeitsmaschinen. Dadurch wäre es den erneuerbaren Energien, wie Wind und Wasser, schon im Jahr 2011 möglich, die gesamte bedarfsgerechte geregelte Energieversorgung kostengünstiger als das Erdöl anzubieten. Die Welt würde dadurch früher sauberer.
10. Bei Wirkungsgraden von 70 bis 75% ist die Kondensattemperatur schon so gering, dass die erforderliche Kühlleistung des Kondensator sehr gering ist.
11. Die Verbrennung mit dem stöchiometrischen Verhältnis erlauben es, dass eine Gasturbinekraftwerk ohne Kamin und einen Verbrennungsarbeitsmaschine im Auto ohne Luftfilter und Auspuff betreiben werden kann.
12. Kraftwerke hätten keine Umweltbellastung mehr und Autos mit Verbrennungsarbeitsmaschinen könnten in geschlossenen Räumen ohne Emissionen fahren.
13. Die höchste Temperaturenbeständigkeit kann man mit dem Werkstoff Wolfram erreichen.

Claims

Eine Verbrennungsarbeitsmaschine, die einen Kraftstoff mit reinem Sauerstoff stöchiometrisch verbrennt, und bei der die Entspannungsenergie des Verbrennungsgases bis zum flüssigen Zustand für die mechanische Energiegewinnung genützt wird, wobei der Verbrennungsprozess geschossen ist, und nur das stöchiometrische Verbrennungsprodukt als Arbeitsmedium für die mechanische Energiegewinnung verwendet wird, wobei der Kraftstoff und der reine Sauerstoff gasförmig zugeführt werden, wobei die Verbrennungsarbeitsmaschine sowohl eine Turbine als auch ein Hub- oder Kreiskolbenmotormotor oder eine andere Ausführung sein kann, wobei die Entnahme des kondensierten Verbrennungsprodukts kontinuierlich oder mit Wechselbefüllung erfolgen kann, und die beschriebene Verbrennungsarbeitmaschine sowohl stationär als auch mobil eingesetzt werden kann.
Eine Verbrennungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff und, oder der reine Sauerstoff gasförmig verdichtet zugeführt werden, wobei die Entspannungskälte aus der Zuführung von dem Kraftstoff und dem reinen Sauerstoff mit einem Wärmetauscher für ein weiteres Absenken der Kondensattemperatur verwendet werden, was wiederum den Wirkungsgrad erhöht.