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Thermodynamisches Energieumsetzungs-Verfahren zum Betrieb von Wärmekraftmaschinen
Wärmekraftmaschinen nutzen die Ausdehnung von Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten
bei deren Erwärmung aus. Während zur Zeit noch keine befriedigenden Ausführungen
bekannt wurden, die mit der Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten arbeiten, sind die
mit Gasen oder Dämpfen arbeitenden sehr zahlreich.
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Die erste Wärmekraftmaschine war die Kolbendampfmaschine, ihr folgte
später die Dampfturbine. Beiden gemeinsam ist, daß außerhalb der Maschine in Wärmeaustauschern
eine Flüssigkeit durch Wärmezufuhr verdampft wird und diese Wärmeenergie in der
Maschine in Arbeit umgesetzt wird. Als Flüssigkeiten kamen nur reine Flüssigkeiten
in Frage, die ohne Rückstand verdampfen. Anfangs wurde ausschließlich möglichst
reines bzw. durch Aufbereitung gereinigtes Wasser verwandt. Neben diesem noch heute
üblichen Verfahren ging man im Laufe der Entwicklung auch zu anderen Flüssigkeiten
als Betriebsmittel für wärmetechnische Prozesse über. Hierzu gehören z. B. Kraftmaschinen,
die mit Quecksilber bzw. Quecksilberdampf arbeiten.
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Die Kältemaschinen mit flüssigem bzw. gasförmigem Ammoniak (N H3)
oder anderen niedrig siedenden Flüssigkeiten als Arbeitsmittel arbeiten nach grundsätzlich
gleichen Verfahren.
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Während bei Verbrennungsmotoren und Gasturbinen in geschlossenen Verbrennungsräumen
ein gasförmiger oder feinstverteilter fester Brennstoff
mit dem
Luftsauerstoff ;bei - je nach Verfahren verschieden - hoher Kompression verbrennt
und diese hochgespannten und erhitzten Verbrennungsgase zur Arbeitsleistung dienen,
also eine chemische Umsetzung im Motor erfolgt, bleibt bei den oben angeführten
Maschinen das Arbeitsmittel chemisch unverändert. Es verändert zur seinen Aggregatzustand
infolge der Einwirkung von Druck und Temperatur.
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Heißluft- bzw. Heißgasmotore arbeiten ebenfalls mit Gasen (Luft) oder
Dämpfen, deren chemischer Zustand sich nicht ändert. Außerdem ändert sich aber auch
nicht der Aggregatzustand. -Der Wert einer Motorenanlage wird bestimmt: r. Durch
die Wirkungsgrade (theoretische, mechanische usw.), 2. besonders für nichtstationäre
Motoren durch geringes Gewicht, geringe Größe, geringen Umfang des Zubehörs, wie
Getriebe usw.
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Nachteile bei vorhandenen Motorsystemen sind folgende: Verbrennungsmotore,
Otto- wie Dieselmotore, sind wegen ihrer ungeeigneten Kennung, also auch wegen ihrer
ungenügenden Zugkraft Charakteristik und ihres Unvermögens, aus dem Stillstand unter
Last anzulaufen, für unmittelbaren Antrieb von Fahrzeugen ungeeignet. Sie bedürfen
eines Getriebes.
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Die schnell laufenden Dampfturbinen .sind leicht und einfach. Auch
ist die Kennüng (Drehzahl, Drehmomentabhängigkeit) günstiger als bei Otto-und Dieselmotoren.
Auch hier ist ein Getriebe unbedingt erforderlich. Gute Wirkungsgrade werden erst
bei höheren Leistungen (über too PS) bei Verwendung von Kondensatoren erreicht.
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Gasturbinen, die gegenüber den Verbrennungsmotoren bei hohen Leistungen
von über z5o PS den Vorteil großer Gewichtsersparnis haben, erfordern bei zum Teil
noch höheren Drehzahlen als bei der Dampfturbine erst recht Getriebe. Durch einfachere
Regelverhältnisse bei Luftfahrzeugen haben sie bei diesen vielfach Verwendung gefunden.
Für Fahrzeuge jedoch sind sie bisher nur in Spezialfahrzeugen bekanntgeworden, die
sich nicht für allgemeinen Gebrauch eignen.
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Die Kolbendampfmaschine hat dagegen für Fahrzeuge eine günstige Zugkraftcharakteristik.
Hier sind keinerlei Getriebe erforderlich. Dagegen ist der räumliche Aufwand für
die Dampferzeugung meist recht hoch.
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Bei allen Kolbenmaschinen sind die verhältnismäßig großen hin- und
hergehenden Massen unvorteilhaft.
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Ein Teil der oben beschriebenen Nachteile läßt sich vermeiden und
es lassen sich sowohl die Wirkungsgrade als auch die Gewichts- und Raumverhältnisse
verbessern, wenn man erfindungsgemäß als Arbeitsmittel einen Schaum verwendet, der
über den ganzen Bereich des Arbeitsprozesses seinen chemischen Charakter und seinen
Aggregatzuständ unverändert beibehält.
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DieseArbeitsweise darf nicht verwechselt werden mit Verfahren, die
gelegentlich bei Pumpen und Kompressoren verwendet werden, wobei mehr oder weniger
fein verteilte Flüssigkeitspartikel über einen Teil des Arbeitsprozesses Verwendung
finden, um durch Massen- oder andere Wirkungen Einfluß "auf den Ablauf des Arbeitsvorganges
zu nehmen (selbstsaugende Kreiselpumpen).
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Die bei der vorliegenden Erfindung zur Verwendung kommende Flüssigkeit
muß hitzebeständig sein, ein möglichst hohes Wärmeleitvermögen haben; und die schaumbildenden
Kräfte in der Flüssigkeit müssen in Zusammenwirken mit dem Gas möglichst groß sein.
In der Flüssigkeit sind zu diesem Zweck geeignete Chemikalien gelöst oder in kolloidaler
Form dispergiert. Gas oder Flüssigkeit dürfen - im ganzen durchlaufenen Temperaturbereich
keinerlei Neigung zur chemischen Verbindung oder gegenseitigen Zersetzung haben.
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Das Gas oder Gasgemisch ist Träger der Wärmeauswirkung. Die Flüssigkeit
hat die Funktion eines Wärmespeichers, ferner hat sie, bedingt durch die Schaumbildung,
den Zweck, dem Gas durch die Oberflächenspannung der Blasen eine gewisse Vorkompression
zu geben. Außerdem bewirkt der Schaum eine laminare Strömungsform, da die innere
Trägheit des Schaumes eine Turbülenz nicht zuläßt. Diese Auswirkung ist für Strömungsmaschinen
von Bedeutung.
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Zusätze zur Flüssigkeit dienen dazu, dem Schaum ein möglichst gutes
Betriebsverhalten (Wärmeleitung, Oberflächenspannung, Schaumstabilität) -zu geben.
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Durch die Beschreibung der Arbeitsmittel und ihre Verwendungsart ist
dem Fachmann die Lösung der Aufgabe ohne weiteres klar gemacht. Beispiele verschiedener
Ausführungsformen sind durch Bild z und 2 dargestellt und durch eine Beschreibung
erklärt.
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Die Verwendbarkeit der Erfindung ist gegeben im Motorenbau des Fahr-
und Flugzeugbaues sowie für stationäre Anlagen.
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Die Erfindung ist nicht gebunden an eine bestimmte Zusammensetzung
des Arbeitsmittelgemisches. Je nach Höhe der Anforderungen genügen viele Mischungen
den Bedingungen. Die Brauchbarkeit ist z. B. schon gegeben bei entsprechender Beschränkung
der Arbeitstemperatur durch die Verwendung von Heißdampfzylinderöl als Flüssigkeit
mit einer Emulgator-Lösung als Zusatz und Stickstoff als Gas.
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Der Fortschritt der Erfindung ergibt sich aus folgendem r. Die Wirkungsgrade
lassen sich verbessern dadurch, daß die Kompression des Gases nahezu isotherm verläuft,
weil die Flüssigkeit den weitaus größten Teil der bei der Kompression entstehenden
Wärme aufnimmt, was eine Zwischenkühlung von außen unnötig macht. Die innere- Kühlung
ist zudem viel wirksamer, da bei der .Feinheit der Bläschen ein wesentlich besserer-
Wärmeübergang stattfindet als bei wasser- oder luftgekühlten Wänden.
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2. Die Masse der Flüssigkeit in Verbindung mit der stützenden Wirkung
des Schaumes bewirkt bei gleicher Drehzahl .eine der Massevergrößerung des
Gemisches
gegenüber dem Gas allein entsprechend höhere Kompression. Ohne besonders hohe Drehzahlen
und bei .im Verhältnis zu üblichen Kreiselverdichtern kleinem Durchmesser gelingt
es z. B., in einem einstufigen Kreiselverdichter Drücke von mehreren Atü zu erreichen.
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3, Einen Vorteil bedeutet es auch noch, daß der feinporige Schaum
leichter und besser an Spaltübergängen und bewegten Dicktkanten abgedichtet wird
als ein Gas allein, Beschreibung der Bilder Bild i. Der aus dem Brennstofftank i
kommende Brennstoff wird durch Abgase im Wärmeaustauscher 2 vorgewärmt. Ebenso wird
die Verhrennungsluft, vom Lader 4 verdichtet, im Wärmeaus Lauscher 5 vorgewärmt.
In der Brennerdüse 3 und dem Brennraum 6 findet die Verbrennung statt. Die Brenngase
geben ihre Wärme zum größten Teil im Wärmetauscher 7 an das Schaumgemisch ab, das
durch den Verdichter 8 komprimiert wurde. Aus dem Wärmetauscher 7 strömt das Arbeitsmittel
über eine Regelung 1o, die über eine Regelvorrichtung 9 mit der Brennerdüse 3 gekuppelt
ist, einer Turbine i i zu, .in der sich das Arbeitsmittel unter Arbeitsleistung
entspannt. In der Rücklaufleistung ist zur Stabilisierung des Vorganges und zur
Erhöhung des Temperaturgefälles ein Kühler 12 eingebaut.
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Diese Ausführungsform nach Bild i stellt nur ein Beispiel dar. Es
ist auch durchaus möglich, die ganze Erhitzung auf elektrische Beheizung (induktive,
kapazitive oder Widerstandsheizung) vorzunehmen. Ebenso können die in Bild i gezeigten
Kreiselverdichter 4 und 8 durch Kolben- oder Kreiskolbenverdichter ersetzt werden.
Es ergibt sich dann eine Ausführungsform nach Bild 2.
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Das im Kreiskolbenverdichter i verdichtete Schaumarbeitsmittel wird
dem elektrischen Erhitzer 2, der durch einen Regler 3 gesteuert wird, erhitzt. Durch
den Füllungsregler 4, der mit dem elektrischen Regler 3 gekuppelt sein kann, wird
der Kreiskolbenmotor 5 beaufschlagt. Das Arbeitsmittel gibt seine Energie ab und
läuft durch den Kühler 6 wieder dem Verdichter i zu.