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Verfahren zur Erzeugung mechanischer Arbeit mit Hilfe der Ausdehnung
von Flüssigkeiten Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt, um die
Ausdehnung von Flüssigkeiten bei Temperaturerhöhung zur Krafterzeugung nutzbar zu
machen. Die einfachste ist die, daß eine Flüssigkeit mit großem Ausdehnungskoeffizienten
in einem Zvlinder abwechselnd erhitzt und gekühlt und die so entstehende Hinundherbewegung
des Kolbens auf eine Welle mittels Kurbel o. dgl. übertragen wird. Eine verbesserte
Bauart hat zwei doppelseitig wirkende, über einen Wärmeaustauscher miteinander verbundene
Zvlinder, von denen der eine ständig erhitzt und der andere ständig gekühlt wird.
Es ist ein erheblicher Nachteil dieser Bauart, daß die Wärmeenergie der Arbeitsflüssigkeit
erst zugeführt und dann entzogen wird, wenn sie sich in den beiden Zvlindern befindet.
Da das Überströmen der Wärmeenergie stets eine gewisse Zeit erfordert, so ist die
vorgenannte Bauart praktisch kaum brauchbar, da die Kolbenbewegungen zufolge der
allmählichen Ausdehnung oder Zusammenziehung der Flüssigkeit in den Zylindern viel
zu langsam erfolgen. Es muß hierbei berücksichtigt werden, daß die Mantelheizung
und -kühlung der Zylinder wegen der verhältnismäßig großen Zylinderquerschnitte
zweifellos wärmetechnisch besonders ungünstig ist.
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Wenn ferner die vorgenannte Kraftmaschine sowie andere Bauarten keine
praktische Verwendung gefunden haben, so liegt das weiterhin auch an der verwendeten
Arbeitsflüssigkeit, für die z. B. Äther oder Schwefelsäure vorgeschlagen wurde.
Diese Flüssigkeiten sind für den praktischen Betrieb unbrauchbar, Äther vor allem
deshalb, weil wegen des niedrigen Siedepunktes keine hohen Temperaturen- und Druckdifferenzen
erzielt werden können.
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Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung wird nun
die Möglichkeit geschaffen, die Änderung des Volumens von Flüssigkeiten bei Temperaturdifferenzen
tatsächlich in wirtschaftlicher Weise nutzbar zu machen. Das wird im wesentlichen
dadurch erreicht, daß die Erhitzung und Ausdehnung der Flüssigkeit nicht, wie bisher,
im Arbeitszylinder, sondern außerhalb desselben in einem besonderen Erhitzer stattfindet.
Der Vorgang der Erhitzung und Ausdehnung findet demnach örtlich unabhängig von der
Arbeitsleistung der Flüssigkeit in dem Zylinder statt. Es kann ferner der Überhitzer
wärmewirtschaftlich viel günstiger gestaltet werden als die bekannte Mantelheizung'
des Arbeitszylinders.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Anwendung sehr hoher Drücke
und Temperaturen, um die Arbeitsleistung zu steigern. Demzufolge ist eine hochsiedende
Arbeitsflüssigkeit mit großem Ausdehnungskoeffizienten erforderlich, für die sich
erfindungsgemäß Öl als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist im
einzelnen
dadurch gekennzeichnet, daß man Flüssigkeit von hohem - Druck und hoher Temperatur
mit gleichbleibendem Druck auf den Kolben eines- Arbeitszylinders wirkeg. läßt,
welche am Ende des Arbeitshubes ehi="" spannt, ausgeschoben und über einen Wärrre'
austauscher von dem Kolben einer Pumpe än-:. gesaugt wird, die die abgekühlte Flüssigkeitsodann
auf den ursprünglichen hohen Druck bringt und durch den Wärmeaustauscher befördert,
worauf die Flüssigkeit an besonderer Stelle erhitzt und dann dem Arbeitszylinder
zugeführt wird.
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Das neue Verfahren und eine zur Ausführung dieses Verfahrens dienende
Vorrichtung nach der Erfindung ist an Hand der Zeichnung im folgenden näher erläutert.
In schematischer Darstellung ist mit i ein Arbeitszylinder und mit 2 -ein Pumpenzylinder
bezeichnet, in denen die Kolben 3 und q. arbeiten. Beide Zylinder haben die gleiche
Länge, jedoch verschiedenen Querschnitt, indem die Kolbenfläche 5 des Kolbens 3
entsprechend der Ausdehnung der Flüssigkeit, z. B. etwa 30 °/o größer ist als die
Kolbenfläche 6 des Pumpenkolbens 4.. Die Kolben 3 und q. sind durch eine gemeinsame
Kolbenstange 7 verbunden und arbeiten mit einem Gestänge 8 auf eine Kurbelwelle
g. Die beiden Zylinder, die mit Ein- und Auslaßventilen io, i i und 12, 13 versehen
sind, sind durch Rohrleitungen 1q., 15 und 16, 17 mit einem. an sich bekannten Wärmeaustauscher
18 verunden. Ein wesentlicher Bestandteil . der Erfindung ist ein Erhitzer ig, der
vor den Arbeitszylinder i geschaltet ist. In die Rohrleitungen zwischen Arbeits-
und Pumpenzylinder sind vorteilhaft zwei weitere Elemente, ein Niederdruckspeicher
2o und ein Hochdruckspeicher -i, eingeschaltet. Der Kreislauf der Arbeitsflüssigkeit
ist in der Zeichnung mit Pfeilen angedeutet.
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Die Arbeitsweise der neuen Vorrichtung ist folgende: Die in dem Erhitzer
ig auf hohe Temperatur und entsprechend großes Volumen gebrachte Flüssigkeit, die
außerdem einen verhältnismäßig hohen Druck besitzt, strömt durch die Leitung,1q.
und Ventil io dem Arbeitszylinder i zu und wirkt hier unter gleichmäßigem Druck
auf den Kolben 3 ein, der unter der Druckwirkung nach rechts in Richtung A bewegt
wird. Damit diese Druckwirkung eintreten kann, muß das Einlaßventil i o offen und
das Auslaßventil i i geschlossen sein, so- wie in der Zeichnung schematisch dargestellt.
Die Ventile io und i i werden zu diesem Zweck entsprechend gesteuert. Am Ende des
in Richtung A erfolgenden Arbeitshubes wird die Flüssigkeit im Zylinder i entspannt
und beim Zurückgehen des Kolbens 3 durch das Ventil i i und die Leitung 15
ausgeschoben und in den Niederdruckspeicher 2o befördert. Zur Druckentspannung der
Flüs-,.sigkeit in dem Arbeitszylinder i und zum :Ausschieben derselben muß am Ende
des -Arbeitshubes das Auslaßventil-ii geöffnet und gleichzeitig das Einlaßventil
io geschlossen werden. Der Zylinderraum wird hierdurch in Verbindung mit dem Niederdruckspeicher
2o gebracht, so daß die aus dem Zylinder austretende Flüssigkeit den im Speicher
2o herrschenden Druck annimmt.
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Von dem Speicher 2o strömt die Flüssigkeit, welche einen geringen
Druck, jedoch noch eine hohe Temperatur hat, durch den Wärmeaustauscher 18 und tritt
nach Äbkühlung und entsprechender Volumenverringerung-durch. die Leitung 16 und
das Ventil 12 in den Pumpenzylinder :2 ein. Dieses Einströmen der Flüssigkeit wird
durch Ansaugen des Kolbens q. bei der Bewegung in Richtung B bewirkt, während zu
gleicher Zeit im Arbeitszylinder i die heiße Flüssigkeit durch Ventil i i ausgeschoben
wird. Beim Arbeitshub in Richtung A wird die kalte Flüssigkeit in der Pumpe 2 durch
das Ventil 13 und Leitung 17 gegen einen hohen Druck ausgeschoben, der dem -0' Flächeneinheitsdruck
in dem Zylinder i entspricht. Zu diesem Zweck muß während des Arbeitshubes in Richtung
A das Einlaßventil 12 geschlossen und das Auslaßventil 13 geöffnet sein, so wie
in der Zeichnung angedeutet.
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Die aus dem Pumpenzylinder ausgeschobene kalte Flüssigkeit gelangt
in den Hochdruckspeicher 21 und von hier durch die Leitung 22 in den Wärmeaustauscher
18, in dem sie durch den Gegenstrom der heißen Flüssigkeit Wärme aufnimmt und wieder
auf hohe Temperatur gebracht wird. Die Flüssigkeit gelangt schließlich in den Erhitzer
ig, in dem sie auf die ursprüngliche hohe Temperatur und entsprechendes Volumen
gebracht wird.
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Der Hochdruckspeicher wäre, streng genommen, für den Arbeitshub nicht
erforderlich, da während desselben die Ventile i o und 13 geöffnet sind, demgemäß
also die aus dem Pumpenzylinder 2 ausgeschobene Flüssigkeit gleichzeitig wieder
in den Arbeitszylinder i eintreten kann, nachdem sie durch Wärmezufuhr in dem Erhitzer
ig auf ein entsprechend größeres Volumen gebracht wurde. Es muß praktisch -jedoch
ein Druckausgleich in der Hochdruckleitung 17, 22, 14 in Gestalt eines Hochdruckspeichers
vorgesehen sein, damit bei geschlossenen Ventilen io und 13 während des Hubes in
Richtung B durch die Wärmezufuhr in dem Erhitzer ig nicht etwa die Rohrleitungen
gesprengt werden. Die während des Hubes B auftretende Volumenvergrößerung in der
Hochdruckleitung wird
durch den Hochdruckspeicher 21 unschädlich
gemacht.
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Zum Druckausgleich ist ein Hochdruckspeicher 21 beliebiger Bauart
vorgesehen. Als Speicher für das kalte Drucköl kann eine Stahlflasche dienen, die
teilweise mit Öl und teilweise mit verdichtetem, indifferentem Gas, z. B.
Argon oder Stickstoff, gefüllt ist. Um ein Lösen dieser Gase im Öl zu verhindern,
wird zweckmäßig Gas und 01 durch einen beweglichen Kolben getrennt.
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Wie bereits erwähnt, wird erfindungsgemäß als Arbeitsflüssigkeit Öl,
insbesondere säurefreies Maschinenöl, mit hohem Siedepunkt verwertet. Das hat den
großen Vorteil, daß man mit verhältnismäßig sehr hohen Temperaturen und Drücken
arbeiten kann. Man kann hierbei auf mehr als 300° C im Erhitzer bzw. Arbeitszvlinder
und auf Drücke über ioo at gehen. Das ergibt bei dein hohen Ausdehnungskoeffizienten
und bei Kühlung des Öles auf Raumtemperatur eine Volumenvergrößerung von mehr als
3o % und demgemäß eine größere Arbeitsleistung.
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Die Verwendung von Öl als Arbeitsmittel ist insofern vorteilhaft,
als hierdurch keinerlei besondere Schmierung der Kolben erforderlich ist.
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In dem Wärmeaustauscher iS wird das heiße Öl dank der jetzigen wärmewirtschaftlich
.sehr günstigen und fast finit ioo °/oigem Wirkungsgrad arbeitenden Bauarten auf
Raumtemperatur heruntergebracht, Es ist also keine besonders starke Kühlung erforderlich,
und es genügt Luftkühlung, die an der Leitung 16, am Zvlinder 2 und an der Leitung
17 stattfindet. Gegebenenfalls kann eine Hilfskühlung verwendet werden. Der Wärmeaustauscher
besteht zweckmäßig aus einem weiten, langen Blechrohr, das nach außen isoliert ist
und im Innern eine größere Anzahl von kleinen Kupfer- oder Bronzeröhrchen aufweist,
derart, daß der gesamte innere Querschnitt der Röhrchen angenähert ebenso groß ist
wie der äußere Raum zwischen ihnen und dem weiten Blechrohr.
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Der Erhitzer i9 kann beliebig ausgebildet sein. Es kann aber mit Vorteil
eine Ölfeuerung verwendet werden.
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In dem N iederdruckspeicher 2o wird das C`51 nicht völlig, sondern
etwa nur auf 5 at entspannt, so daß dieses dem Zylinder 2 unter Druck zuströmt und
damit eine höhere Drehzahl möglich wird.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Zylinder i und 2 mit ihren
Öffnungen einander zugekehrt angeordnet und die Kolben durch eine gemeinsame Stange
7 verbunden. Es hebt sich durch diese Anordnung der auf die Kolbenflächen 5 und
6 wirkende gleiche Luftdruck auf, so daß auf die Kurbelwelle 9 nur der sich aus
der Differenz der Kolbenflächen ergebende Arbeitsdruck' übertragen wird.
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Der Zylinder i, in dem Öl von hoher Temperatur arbeitet, wird
zweckmäßig isoliert, wie mit 23 angedeutet. Es ist von Vorteil, daß sbwohl in dem
Arbeits- als auch in dem Pumpenzylinder gleichbleibende Temperaturen vorhanden sind.
Es treten demgemäß keinerlei Wärmespannungen auf, und es können ferner die Kolben
ohne Kolbenringe unmittelbar in den Zylindern eingeschliffen werden.
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Die neue Kraftmaschine kann im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren selbsttätig
unter Last mit voller Kraft anlaufen, indem nur das Ventil des Hochdruckspeichers
geöffnet zu werden braucht, um die Maschine in Betrieb zu setzen. Die Reglung der
Drehzahl kann durch ein einfaches Drosselventil und die Reglung in bezug auf Leistung
durch Änderung des Druckes im Hochdruckspeicher erfolgen. In beiden Fällen kann
gleichzeitig eine entsprechende Reglung der Heizung vorgenommen werden.
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Es ist möglich, mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung
eine verhältnismäßig hohe Drehzahl von, etwa 300 U/min zu erreichen. Die
neue Kraftmaschine ist daher für Schiffsantrieb sehr geeignet. Bei ihrer Verwendung
zum Antrieb von Luftschrauben u. dgl. müßte sie nach oben übersetzt werden.
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Die neue Maschine erfordert keinen Sonderbrennstoff. Für stationäre
Zwecke können die verschiedensten bekannten Brennstoffe verwendet werden..
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Das neue Verfahren ist nicht auf die gezeigte Bauart von Kolbenmaschinen
beschränkt, sondern es ist auch auf Rotationsmaschinen anwendbar. In diesem Fall
tritt an Stelle des Pumpenzylinders eine Schleuderpumpe, während der Arbeitszylinder
durch eine Turbine, beispielsweise ein Peltonrad, ersetzt wird.
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Selbstverständlich wird bei Anwendung der Erfindung auf Kolbenmaschinen
auf der Kurbelwelle ein Schwungrad angeordnet, um die Kolben in den Zylindern während
der Hübe, in welchen keine Arbeit geleistet wird, zurückzuführen.