DE3841876A1 - Waermekraftmaschine - Google Patents
WaermekraftmaschineInfo
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Classifications
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-
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Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, bestehend aus Kühler
(21), Verdichter (2), Erhitzer (4, 8), Expansionsmaschinen, wie Motoren oder
Turbinen (6, 10) mit Abgabe mechanischer Arbeit an einer Abtriebswelle
(17) und einem internen Wärmetauscher (18). Die Wärmekraftmaschine hat
einen sehr großen Wirkungsgrad in der Umwandlung von Wärme in mechan.
Energie. Sie ist anwendbar in allen Bereichen der Wärmekraftmaschinen,
z. B. zur Elektrizitätserzeugung, als Antrieb für Arbeitsmaschinen und
als Fahrzeugantrieb.
Die Erfindung soll die Wirtschaftlichkeit von Wärmekraftmaschinen
erhöhen und die Abgas-Emissionen mindern.
Stand der Technik sind Wärmekraftmaschinen, die mechanische Arbeit
meist durch Verbrennungswärme erzeugen. Dabei wird in Wärmekraft
maschinen mit innerer Verbrennung der Kraftstoff in Arbeitszylinder
von Diesel- oder Otto-Motoren oder in Brennkammern von Gasturbinen
verbrannt. In Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung erzeugt die
chemische Energie des Brennstoffes in einem Dampfkessel überhitzten
Dampf, der in Dampfturbinen mechanische Arbeit leistet.
Der Wirkungsgrad in der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie
ist bei den bekannten Wärmekraftmaschinen mit 15 bis 45% noch sehr
weit von dem theoretischen Carnot-Wirkungsgrad entfernt. 55% bis
85% der eingesetzten Verbrennungswärme sind nicht in mechanische
Energie oder elektrischen Strom umwandelbar. Das führt zu hohen
Energiepreisen, Wärmebelastung der Umwelt und starker Abgasemissionen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad in der
Umwandlung von Wärme in mechanische oder elektrische Energie be
deutsam auf über 50% anzuheben und damit die Wirtschaftlichkeit
von Wärmekraftmaschinen und Kraftwerken sehr wesentlich zu erhöhen
und die Abgasemission zu vrmindern. Die Erfindung ermöglicht einen
wirtschaftlichen Ersatz für Nuklear-Kraftwerke und löst somit auch
das Problem des Atom-Müll.
Die Hauptaufgabe der Erfindung, die bessere Wärmenutzung, wird dadurch
gelöst, daß der Expansions- und der Kompressionsdruck der Wärmekraft
maschinen bei höherem Druckverhältnis in mehrere Druckstufen aufge
teilt ist und jeder Expansionsdruckstufe jeweils ein Erhitzer (4, 8)
vorgeschaltet ist, der die Gastemperatur auf ein höheres Niveau zu
rückbringt, wodurch größere Expansionsarbeiten in der jeweils nach
folgenden Expansion erzielt werden. Weiterhin wird die Einsatzwärme
besser genutzt, indem zwischen den Verdichterstufen das komprimierte
Gas jeweils zwischengekühlt wird, so daß für die nächstfolgende Ver
dichtung weniger Verdichtungsenergie notwendig ist. Abwärmeminderung
durch Wärmeaustausch des expandierten Heißgases an die verdichtete
mäßig warme Luft in einem internen Wärmetauscher (18) führt zu weiterer
Reduzierung des sonst notwendigen Wärmeeinsatzes. Diese drei Vorteile:
mehr Expansionsarbeit, wenigter Kompressorarbeit, weniger Abwärmever luste steigern den Wirkungsgrad in der Umwandlung von Wärme in Be wegungsenergie auf über 50% bis max. ca. 60% bei hohen Expansionstem peraturen. Dabei kennzeichnen:
mehr Expansionsarbeit, wenigter Kompressorarbeit, weniger Abwärmever luste steigern den Wirkungsgrad in der Umwandlung von Wärme in Be wegungsenergie auf über 50% bis max. ca. 60% bei hohen Expansionstem peraturen. Dabei kennzeichnen:
Anspruch 1 die wesentlichen Merkmale der Erfindung,
Anspruch 2 den geschlossenen Gasumlauf mit Wärmetauschern,
Anspruch 3 den offenen Gasumlauf mit Brennkammern,
Anspruch 4 die besonderen Merkmale der Erfindung für Strahltrieb
werke.
Die Erfindung bringt große wirtschaftliche Vorteile:
insbesondere in der Stromerzeugung, wo der hohe Wirkungsgrad den Anteil der Brennstoffkosten im Strompreis senkt und die Wettbe werbsfähigkeit von Verbrennungskraftwerken über die der Nuklearkraft werke hebt. Damit entfällt mit den Nuklearkraftwerken das Gefahren potential der radioaktiven Verseuchung und es entfällt auch die Ent sorgung radioaktiver Abfallstoffe. Die Erfindung bringt darüber hinaus große ökologische Vorteile durch die reduzierte Abgasmenge und durch die verringerte Abwärme. Ähnliche Vorteile entstehen auch in anderen Anwendungsbereichen, insbesondere für den Kraftfahrzeugverkehr. Hier werden nicht nur weniger Abgase erzeugt. Die annähernd 100%ige Ver brennung des Kraftstoffes in separaten Brennkammern macht die Abgase, auch ohne Katalysator, weitgehend schadstofffrei. Der Einsatz dieser Wärmekraftmaschine in Strahltriebwerken erhöht den Wirkungsgrad in der Kraftstoffverwertung. In Zweistrahl-Flugtriebwerken kann der Ener gie-Einsatz für den Sekundärstrom vervielfacht werden, was auch zu einer Vervielfachung des Schubes führt. Der Treibstoffbedarf und die Flugkosten sinken.
insbesondere in der Stromerzeugung, wo der hohe Wirkungsgrad den Anteil der Brennstoffkosten im Strompreis senkt und die Wettbe werbsfähigkeit von Verbrennungskraftwerken über die der Nuklearkraft werke hebt. Damit entfällt mit den Nuklearkraftwerken das Gefahren potential der radioaktiven Verseuchung und es entfällt auch die Ent sorgung radioaktiver Abfallstoffe. Die Erfindung bringt darüber hinaus große ökologische Vorteile durch die reduzierte Abgasmenge und durch die verringerte Abwärme. Ähnliche Vorteile entstehen auch in anderen Anwendungsbereichen, insbesondere für den Kraftfahrzeugverkehr. Hier werden nicht nur weniger Abgase erzeugt. Die annähernd 100%ige Ver brennung des Kraftstoffes in separaten Brennkammern macht die Abgase, auch ohne Katalysator, weitgehend schadstofffrei. Der Einsatz dieser Wärmekraftmaschine in Strahltriebwerken erhöht den Wirkungsgrad in der Kraftstoffverwertung. In Zweistrahl-Flugtriebwerken kann der Ener gie-Einsatz für den Sekundärstrom vervielfacht werden, was auch zu einer Vervielfachung des Schubes führt. Der Treibstoffbedarf und die Flugkosten sinken.
Fig. 1 kennzeichnet den Aufbau und die Wirkungsweise der Erfindung.
Ein Gas (1) (z. B. Luft) wird im offenen oder geschlossenem Gasumlauf durch
den Verdichter (19) angesaugt und auf max. ca. 4 : 1 verdichtet. Dabei steigt
die Temperatur des Gases, je nach Verdichtung und Wirkungsgrad, z. B. bei
einer Verdichtung 3 : 1 auf ca. 140°C. Das erwärmte und verdichtete Gas
wird in einem Kühler (21) wieder zurückgekühlt, wobei die abgegebene
Wärme ggfs. zu Heizzwecken (22) nutzbar ist. Das abgekühlte Druckgas ge
langt in den 2. Verdichter (2), wo es erneut komprimiert wird. In der be
schriebenen Art können noch weitere Zwischenkühlungen und Verdichtungen
durchgeführt werden. Nach der letzten Verdichterstufe wird dem Gas, ohne
weitere Nachkühlung, zusätzliche Wärme zugeführt. Hierzu dient ein interner
Wärmetauscher, der vorzugsweise im Gegenstrom die Wärme des bereits
expandierten Gases auf das Druckgas überträgt. Dabei wird das Druckgas
bis dicht an die Expansionstemperatur erhitzt, z. B. auf 500°C. Erst nach
Austritt aus dem internen Wärmetauscher (18) erhält das Gas zusätzliche
Einsatzwärme aus dem Erhitzer (4), indem es beispielsweise auf 750°C
aufgeheizt wird. Dieser Erhitzer besteht bei offenen luftbetriebenen
Wärmekraftmaschinen aus einer Brennkammer (4), ggfs. mit einem Katalysator,
in die Kraftstoff oder Brenngas eingesprüht bzw. eingepreßt wird und
verbrennt, dazu genügt eine geringe Menge, beispielsweise, wie oben ge
nannt, nur zur Erwärmung des Gases von 500°C auf 750°C.
Dagegen wird in einer Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Gasumlauf
die Verbrennungswärme indirekt über Wärmetauscher (4) dem Umlaufgas zu
geführt. Das so erhitzte Gas (von beispielsweise 750°C) expandiert mit
einem Expansionsverhältnis von max. ca. 1 : 4 in einem Motor (6) oder
einer Turbine (6). Es leistet dabei Arbeit, die über die Turbinenwelle
(Motorwelle) (9, 17) abgeführt wird und kühlt sich dabei ab, z. B. von 750°C
auf 530°C. Das abgekühlte Gas mit dem verminderten Druck wird in den
nächsten Erhitzer (8) geführt, wo es nochmals, wie beschrieben, z. B. auf
750°C erhitzt wird, ehe es erneut in einem Motor (10) oder in einer Tur
bine (10) Expansionsarbeit abgibt und sich wiederum abkühlt (z. B. auf
530°C). Wie bei der Verdichtung sind auch bei der Expansion noch
weitere Druckstufen möglich. Dabei wird das Gas jeweils vor jeder
nachfolgenden Expansion in einem Erhitzer nacherhitzt.
Das expandierte Gas strömt schließlich mit der Expansionstemperatur
(z. B. 530°C) und seinem niedrigsten Druck (z. B. 1 bar) in den internen Wärme
tauscher (18), wo es Wärme, wie beschrieben, an das Druckgas der letzten
Verdichterstufe abgibt.
Wird die Wärmekraftmaschine mit einem Gesamtverdichtungs- bzw. Expansions
verhältnis max 4 : 1 bzw. 1 : 4 betrieben, so entfallen die Zwischenkühlungen
und Zwischenerwärmungen. Es verbleibt aber der interne Wärmetausch.
Der Wirkungsgrad ist ähnlich hoch wie bei einer entspr. mehrstufigen
Verdichtung und Expansion mit größerem Druckgefälle aber den beschriebenen
Zwischenkühlungen bzw. Zwischenerwärmungen. Die Fig. 1a zeigt hierzu ein
Ausführungsbeispiel für den Aufbau im offenen System und mit Brenn
kammern. Die Brennstoffzuführung erfolgt bei (7) bzw. (3).
Da die Verdichtung ohne Zwischenkühlung bei mäßigem Druckverhältnis
weniger stark negativ ist als die Expansion ohne Zwischenerwärmung,
kann die Wärmekraftmaschine ggfls. nur mit Zwischenerwärmung betrieben
werden. Fig. 2 zeigt auch hierzu ein Ausführungsbeispiel.
Die Fig. 14a und Fig. 14b kennzeichnen den großen thermodynamischen
Vorteil zwischen den konventionellen Gasturbinen (Fig. 14a) und der
erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine im (T-s) Temperatur-Entropie-
Diagramm. Die Flächen N entsprechen der theoretischen Nutzarbeit der
Motoren bzw. Turbinen und die Flächen V stellen die Abwärmeverluste
dar. Beide Flächen N + V ergeben den Wärmeeinsatz, z. B. aus der Ver
brennungswärme, die über die Erhitzer (4) bzw. Zwischenerhitzer (8) in
die Wärmekraftmaschine eingegeben wird. Es ist deutlich erkennbar,
daß die konventionelle Gasturbine (Fig. 14a) weniger Arbeit (Fläche N)
leistet als die erfindungsgemäße Wärmkraftmaschine (Fig. 14b). Der
Abwärmeverlust (Fläche V) in der konventionellen Gasturbine (Fig. 14a)
ist wesentlich größer. Das führt dazu, daß unter sonst gleichen
Bedingungen, wie Verdichtungsverhältnis, mechanische Wirkungsgrade
der Verdichtungs- und Expansionsmaschinen u. a. die Wärmekraftmaschine
mit den Merkmalen des Anspruch 1 mit ca. 55% gegen ca. 35% konvention.
Gasturbinen für eine bestimmte Brenn- oder Kraftstoffmenge rd. 80%
mehr Arbeit leistet, was die genannten wirtschaftlichen und ökolo
gischen Vorteile erbringt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen in Ausführungs
beispielen dargestellt und erläutert.
Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 bis Fig. 8 zeigen jeweils den
schematischen Aufbau der Wärmekraftmaschine. Die Fig. 9 bis Fig. 13
zeigen Beispiele für die technische Ausstattung. Die Fig. 1a bis Fig. 3
enthalten Beispiele für den offenen Gasumlauf mit Brennkammern. Die
Fig. 4 bis Fig. 6 kennzeichnen Flugantriebe und die Fig. 7 und Fig. 8
bringen Beispiele für den geschlossenen Gasumlauf mit Wärmetauschern.
Fig. 1 Grundaufbau der Wärmekraftmaschine,
Fig. 1a Ausführungsbeispiel ohne Zwischenkühlung, ohne Zwischener
wärmung für kleine Druckverhältnisse,
Fig. 2 Ausführung mit einer Zwischenerwärmung ohne Zwischenkühlung
für mäßig hohe Verdichtung,
Fig. 3 Ausführung für hohe Verdichtung und großer Expansion mit
je einer Zwischenkühlung und Zwischenerwärmung,
Fig. 4 Ausführungsbeispiel eines Einstrom-Schubtriebwerkes,
Fig. 5 Ausführungsbeispiel für eine Turbo-Prop-Triebwerk,
Fig. 6 Ausführungsbeispiel eines Zweistrom-Schubtriebwerkes,
Fig. 7 Ausführungsbeispiel der Wärmekraftmaschine für kleine Druck
verhältnisse ohne Zwischenkühlung, ohne Zwischenerwärmung,
Fig. 8 Ausführung für hohe Verdichtung und externe Verbrennung
mit je einer Zwischenerwärmung und Zwischenkühlung,
Fig. 9 entspr. Fig. 3: Ausführungsbeispiel einer Wärmekraftmaschine
mit Hubkolbenmaschinen, insb. für den mobilen Einsatz, z. B. für
Kraftfahrzeuge, Arbeitsmaschien u. a.,
Fig. 10 entspr. Fig. 1a: Ausführungsbeispiel mit Schrauben-Verdichter
und Expansionsmaschinen in Kleinbauweise und geringer Ver
dichtung, z. B. für Kraftfahrzeuge und Flugzeuge,
Fig. 11 entspr. Fig. 2: Beispiel in Turbo-Ausführung für mittlere und
große Kraftanlagen bei mäßiger Verdichtung,
Fig. 12 entspr. Fig. 6: Zweistrahl-Schubtriebwerk für Flugzeuge mit
sehr hoher Schubleistung.
Die Fig. 1 zeigt schematisch die beschriebenen erfindungsemäßen
Merkmale nach Anspruch 1.
Die Fig. 1a bis Fig. 6 und die Fig. 9 bis Fig. 11 zeigen Ausführungs
beispiele, in denen die Erhitzer (4) (8) als Brennkammern ausgebildet
sind. Die Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel technischer Gestaltung
nach Fig. 1a, d. h. ohne Zwischenkühlung und ohne Zwischenerwärmung.
Kompressor (2) und Motor (6) arbeiten in Schraubenausführung, wobei der
Schraubenmotor (6) vorzugsweise aus hitzebeständigem Material (z. B. aus
Keramik) besteht. Diese Wärmekraftmaschine zeichnet sich aus durch
die kleinen Baumaße und die hohe Leistung und ist daher für mobile
Maschinen, insb. Kraftfahrzeuge, geeignet. Zur Erzielung eines guten
Wirkungsgrades sollte die Verdichtung unterhalb von 4 : 1 liegen.
Anstelle von Schrauben sind auch Dreh- oder Hubkolbenmotoren bzw.
Verdichter einsetzbar. Für große stationäre Anlagen eignen sich auch
Turbomaschinen.
Die Fig. 2 kennzeichnet schematisch die erfindungsgemäße Wärmekraft
maschine für den mittleren Druckbereich mit dem Erhitzer (4) und dem
Zwischenerhitzer (8) jeweils in Bremmer-Ausführung für eine zwei
gestufte Expansion über die Motoren bzw. Turbinen (6) und (10). Die Fig. 11
zeigt hierzu das Ausführungsbeispiel einer Turbo-Anlage.
Die Fig. 3 kennzeichnet das Ausführungsbeispiel für eine Wärmekraft
maschine mit zweistufiger Verdichtung für mittlere und hohe Druckbe
reiche über die Kompressoren (2) und (19). Nach dem ersten Verdichter wird
die Luft in dem Zwischenkühler (21) zwischengekühlt, so daß für die nach
folgende Verdichtung weniger Energieeinsatz notwendig ist. Auch in
dieser Ausführung ist eine 2stufige Expansion mit Zwischenerhitzung
in der Brennkammer (8) vorgesehen. Die höhere Expansionstemperatur er
möglicht größere nutzbare Expansionsarbeiten in dem Motor bzw. in der
Turbine. Anstelle von 2 Stufen mit jeweiliger Zwischenkühlung bzw.
Zwischenerwärmung sind auch 3- oder mehrstufige Anlagen mit entspr.
Zwischenkühlungen und Zwischenerwärmungen darstellbar. Wärmekraftmaschinen
mit Zwischenkühlung(en) und Zwischenerhitzung(en) eignen sich insbesondere
für große Kraftanlagen, z. B. als Gasturbinenanlagen zur Stromerzeugung.
Aber auch kleinere Wärmekraftmaschinen sind so darstellbar. Die Fig. 9
zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel mit Hulbkolben-Maschinen, insb. für
den mobilen Einsatz, z. B. in Kraftfahrzeugen. Verdichter (2) (9) und Motoren
(6) (10) sind als Differential-Hubkolben-Maschinen ausgebildet. Die Vor
verdichtung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel in dem größeren Hub
volumen im Vorverdichter (19). Die vorverdichtete Luft kühlt in dem Luft
kühler (21) ab, ehe sie in dem kleineren Hubvolumen des Verdichters (2)
stärker komprimiert wird. In dem internen Wärmetauscher (18) erhitzt die
Druckluft im Gegenstrom zum Abgas und wird schließlich in der Brenn
kammer (4) durch Kraftstoffverbrennung auf die Eintrittstemperatur für
die Expansion angehoben. Die Heißgase expandieren unter Energieabgabe
zweistufig mit einer Zwischenerhitzung in einer Brennkammer (8), und
zwar im höheren Druckbereich im kleineren Expansionsvolumen des Motors
(10) und nach der Zwischenerwärmung im größeren Expansionsvolumen des
Motors (6), ehe das Gas über den internen Wärmetauscher (18) als Abgas die
Wärmekraftmaschine verläßt.
Die Fig. 4 bis Fig. 6 kennzeichnen schematisch Ausführungsbeispiele
der Wärmekraftmaschine als Schubantriebe, vorzugsweise für Flugzeuge.
Diese Strahltriebwerke zeichnen sich aus durch große Schubkräfte
und geringem Kraftstoffverbrauch gegenüber den bekannten Strahltrieb
werken. Die Fig. 4 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Einstrom-Strahl
triebwerkes. Die Wärmekraftmaschine in diesem Triebwerk besitzt zwei
Erhitzer bzw. Zwischenerhitzer (4) (8) in Brennkammer-Ausführung, wobei
der Zwischenerhitzer (8) zwischen zwei Turbinen in mittlerer Druckhöhe
der Expansion angeordnet ist. Durch die Anhebung der mittleren Expan
sionstemperatur in dem Zwischenerhitzer (8) ist die nutzbare Turbinen
arbeit wesentlich größer als in den bekannten Strahltriebwerken.
Diese größere Turbinenarbeit wiederum gestattet eine höhere Verdichtung
und damit ein größeres Restdruckgefälle der Heißgase hinter den Tur
binen, das wiederum eine größere Expansion bei höherer Temperatur in
der Schubdüse gestattet. Der Schub des Einstrom-Strahltriebwerkes ist
also größer als bei den konventionellen Einstrom-Strahltriebwerken.
Unter sonst gleichen Bedingungen erzeugt die erfindungsgemäße Wärme
kraftmaschine in Einstrom-Strahltriebwerken höhere Schübe bei geringerem
Kraftstoffverbrauch.
Die Fig. 5 kennzeichnet das Ausführungsbeispiel eines Turbo-Prop-
Strahlantriebes mit den in Fig. 4 erläuterten Vorteilen. In dem Turbo-
Prop-Antrieb wird jedoch ein Teil der größeren Expansionsarbeit der
Turbinen zum Antrieb eines Propellers benutzt, womit sehr hohe Schub
kräfte beim Start und in kleinen Fluggeschwindigkeiten erzeugt werden.
Zweckmäßigerweise arbeitet dieses Triebwerk in Wechselwirkung: beim
Start und bei kleinen Geschwindigkeiten expandiert das Heißgas in der
Turbine (10) nahezu auf den äußeren Luftdruck. Sämtliche Überschußarbeit
der Turbinen (6) (10) wird dem Propeller 624) zugeführt, der mit hoher
Leistung eine große Luftmasse beschleunigt und einen großen Schub
erzeugt. Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit wird die mögliche Über
schuß-Expansionsarbeit der Heißgase auf die Schubdüse (11) verlagert,
bis schließlich im Überschallbereich der Propeller (24) eingezogen
außer Betrieb ist.
Die Fig. 6 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Zweistrom-Strahltrieb
werkes mit der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine. Die Überschuß
arbeit zusätzlich zu der notwendigen Verdichterarbeit für den Primär
strom wird in einem viel größerem Umfang als bisher entnommen und
für die Beschleunigung des Sekundärstrahles aufgewandt. Der Verdichter
des Sekundärstromes (äußerer Luftstrom ohne Verbrennung) erzeugt insb.
beim Start und bei kleinen Fluggeschwindigkeiten sehr viel bessere
Wirkungsgrade als der heiße Primärstrom und erzeugt mit der größeren
Energieeingabe aus der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine einen sehr
viel größeren Schub als in konventionellen Zweistrom-Strahltriebwerken.
Alle Triebwerke mit der neuartigen Wärmekraftmaschine benötigen weniger
Startlast durch den kleineren Brennstoffverbrauch, womit aber dieser
Brennstoffverbrauch noch weiter abgesenkt wird.
Die Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die maschinelle Aus
stattung des Zweistrom-Strahltriebwerkes. Man erkennt links den Luft
eintritt für den Primärstrom, den Verdichter (2), den Erhitzer (Brennkammer)
(4), die erste Turbine (6), den Zwischenerhitzer (8), die 2. Turbine (10) und
die Primärschubdüse (11). Der äußere Sekundärstrom wird über den Verdichter
(15) durch die Turbinen (6) (10) komprimiert und expandiert in der Düse (16).
Die Fig. 7, Fig. 8 und Fig. 12 kennzeichnen die erfindungsgemäße Wärme
kraftmaschine mit äußerem Wärmeeinsatz, vergleichbar mit den bisherigen
Dampfkraftmaschinen (Kraftwerke). Die Verbrennungswärme wird indirekt
durch die als Wärmetauscher ausgebildeten Erhitzer (4) (8) in den ge
schlossenen Gasumlauf der Wärmekraftmaschine eingegeben. Anstelle
von Verbrennungswärme kann auch Abwärme oder Nuklearwärme (Atomkraft
werk) in den Gasumlauf eingegeben werden.
Die Fig. 7 zeigt das Ausführungsbeispiel für eine Kraftanlage mit ein
stufiger Verdichtung (2) und einstufiger Expansion (6). Der Gasumlauf er
hält nach der Verdichtung (2) zunächst über den internen Wärmetauscher
(18) die Restwärme des expandierten Gases aus der Turbine (6) bevor er
in der Heizkessel-Anlage (26) in dem Erhitzer (4) auf die Eintritts
temperatur für die Turbine (6) nacherhitzt wird. Der Erhitzer (4) arbeitet
vorzugsweise im Gegenstrom zu den Brenngasen des Heizkessel (26).
Die Restwärme der Brenngase in der Heizkessel-Anlage (26) wird benutzt
um über einen Luftvorwärmer (23) die Frischluft vorzuheizen. Es sind alle
Brenn- und Kraftstoffe einsetzbar (3).
Die Fig. 8 kennzeichnet den geschlossenen Gasumlauf für eine Kompression
in der zweistufigen Verdichtung (19) (2) mit Zwischenkühlung (21) größer als
4 : 1. Auch dieExpansion ist zweistufig (6) (10) mit Zwischenerhitzung (8)
in der Kesselanlage. Die Abwärme (22) ist ggfls. zu Heizzwecken nutzbar.
Die Fig. 12 zeigt nach Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel mit Turbokompressoren
(19) (2), Zwischenkühler (21) und Heißgas-Turbinen (6) (10), sowie die Heiz
kessel-Anlage (26) mit Erhitzer (4) und Zwischenerhitzer (8).
Die Anlagen mit geschlossenem Gasumlauf sind vorzugsweise stationär ein
zurichten und haben sehr hohe Wirkungsgrade.
1 Gas-/Lufteintritt
2 Verdichter
3 Brenn-/Kraftstoff-Zuführung
4 Erhitzer
5 Antriebswelle zum Verdichter
6 Motor/Turbine
7 Brenn-/Kraftstoff-Zuführung für Zwischenerhitzer
8 Zwischenerhitzer
9 Ausgleichs-/Antriebswelle
10 Motor/Turbine, 2. Stufe
11 Primärstromdüse (Strahlantrieb)
12 Lufteintritt des Sekundärstrahles
13 schwenk- bzw. regelbarer Lufteinlaß
14 Schwenk- bzw. Regelvorrichtung
15 Sekundärstromverdichter
16 Sekundärstromdüse
17 Antriebswelle/äußere Leistungsabgabe
18 interner Gegenstrom-Wärmetauscher
19 Vorverdichter
20 Antriebswelle zum Vorverdichter
21 Zwischenkühler
22 Wärmeabfuhr/Abwärmeverwertung
23 Luftvorwärmer in der Kesselanlage
24 Propeller/Luftschraube
25 Gasaustritt
26 Heizkessel-Anlage
2 Verdichter
3 Brenn-/Kraftstoff-Zuführung
4 Erhitzer
5 Antriebswelle zum Verdichter
6 Motor/Turbine
7 Brenn-/Kraftstoff-Zuführung für Zwischenerhitzer
8 Zwischenerhitzer
9 Ausgleichs-/Antriebswelle
10 Motor/Turbine, 2. Stufe
11 Primärstromdüse (Strahlantrieb)
12 Lufteintritt des Sekundärstrahles
13 schwenk- bzw. regelbarer Lufteinlaß
14 Schwenk- bzw. Regelvorrichtung
15 Sekundärstromverdichter
16 Sekundärstromdüse
17 Antriebswelle/äußere Leistungsabgabe
18 interner Gegenstrom-Wärmetauscher
19 Vorverdichter
20 Antriebswelle zum Vorverdichter
21 Zwischenkühler
22 Wärmeabfuhr/Abwärmeverwertung
23 Luftvorwärmer in der Kesselanlage
24 Propeller/Luftschraube
25 Gasaustritt
26 Heizkessel-Anlage
Claims (4)
1. Wärmekraftmaschine, bestehend aus Kühler (21), Verdichter (2),
Erhitzer (4, 8), Expansionsmaschine (6, 10) und einem internen
Wärmetauscher (18) in Gleichdruckerwärmung, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Expansions- und der Kompressionsdruck in
eine oder mehrere Druckstufen aufgeteilt ist und jeder Ex
pansionsdruckstufe jeweils ein Erhitzer (4, 8) vorgeschaltet ist
und daß bei geschlossenem Gasumlauf in der Wärmekraftmaschine
jeder Verdichterstufe und im offenen Gasumlauf beginnend vor
der 2. Verdichterstufe jeweils ein Zwischenkühler (21) vorgeschaltet
ist und daß vorzugsweise das Arbeitsgas nach der Expansion in
der Expansionsmaschine in einem internen Wärmetauscher (18)
das verdichtete Gas vorerwärmt.
2. Wärmekraftmaschine im geschlossenen Gasumlauf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenerhitzer (4, 8) aus
Wärmetauschern bestehen, vorzugsweise aus Gegenstrom-Wärmetauschern,
die äußere Wärme in die Wärmekraftmaschine einbringen, und damit die
Temperatur des umlaufenden Arbeitsgases unter gleichbleibenden
Druck erhöhen.
3. Wärmekraftmaschine im offenen Gasumlauf nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzer (4, 8) als Brenn
kammern ausgebildet sind, in denen Kraftstoff (3) oder Brennstoff
verbrennt und dabei die Temperatur des Brenngases erhöht.
4. Wärmekraftmaschine im offenen Gasumlauf nach den Ansprüchen 1
und 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der ver
fügbaren Expansionsarbeit in den Expansionsmaschinen genutzt
wird und das restliche Druckgefälle des Heißgases in einer
Schubdüse (11) expandiert und der interne Wärmetauscher (18) ent
fällt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883841876 DE3841876A1 (de) | 1988-12-13 | 1988-12-13 | Waermekraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883841876 DE3841876A1 (de) | 1988-12-13 | 1988-12-13 | Waermekraftmaschine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3841876A1 true DE3841876A1 (de) | 1990-06-21 |
Family
ID=6369022
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19883841876 Withdrawn DE3841876A1 (de) | 1988-12-13 | 1988-12-13 | Waermekraftmaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3841876A1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CN104791128A (zh) * | 2014-02-12 | 2015-07-22 | 摩尔动力(北京)技术股份有限公司 | 高低压轴变界机构发动机 |
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FR3079562A1 (fr) * | 2018-04-03 | 2019-10-04 | Psa Automobiles Sa | Moteur a combustion externe a rechauffage intermediaire |
-
1988
- 1988-12-13 DE DE19883841876 patent/DE3841876A1/de not_active Withdrawn
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