DE1961457A1

DE1961457A1 - Dual-fuel thermal engine with closed circuits

Info

Publication number: DE1961457A1
Application number: DE19691961457
Authority: DE
Inventors: Friedrich Munzinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-12-08
Filing date: 1969-12-08
Publication date: 1971-06-24

Description

Zweistoff-Wärmekraftmaschine mit geschlossenen Kreisläufen. Dual-fuel heat engine with closed circuits.

Patentbeschreibung Man sucht heute bei den Wärmekraftmaschinen, insbesondere bei den Fahrzeugmotoren, eine einwandfreie Verbrennung zu erreichen (ungiftige Abgase). Dies ist annähernd möglich, wenn man die Verbrennung mUglichst kontinuierlich verlaufen läßt, wie dies bei Dampferzeugern und bei den Heißgasverfahren, z030 bei Stirling und bei Ackeret-Keller, der Fall ist. Bei den genannten Wärmekraftmaschinen, wie auch bei nachstehender Erfindung, bilden nur die Arbeitsmedien einen geschlossenen Kreislauf; während die Feuergase, bezw. allgemeiner gefaßt, die wärmeabgebenden betw. Patent description One searches today in the heat engines, in particular in vehicle engines to achieve perfect combustion (non-toxic exhaust gases). This is almost possible if the combustion is as continuous as possible leaves, as is the case with steam generators and with the hot gas process, z030 at Stirling and at Ackeret-Keller that is the case. In the case of the heat engines mentioned, such as Even with the invention below, only the working media form a closed one Circulation; while the fire gases, respectively. more generally speaking, the exothermic ones betw.

dem Arbeitsmedium wärmezufuhrenden Wärmeträger im offenen Kreielauf arbeiten können. Die Bezeichnung "geschlossener Kreislauf" bezieht sioh in der Wärmekraftmaschinenbranohe auf das Arbeitsmedium, Zum Stand der Technik gehört noch, als zu den oben genannten Dampferzeugern gehörend, die Patentanmeldung über den Zusatz Dampfkreislauf P 17 51 831.9. Beide, Dampferzeuger und Heißgasverfahren, haben als Merkmal die indirekte Beheizung des Arbeitsmediums im årmeauetausch über eine Trennwand gemeinsam9 dagegen wird Dampf als Arbeitsmedium auf dem Wege der Kondensation verdichtet und mittels der Speisepumpe wieder unter Druck gesetzt, und Heißgas als Arbeitsmedium wird ganz oder annähernd adiabatisch auf maschinellem Wege verdichtet. Bei Ackeret-Keller wird dies beispielsweise mit Zwischenkühlung vorgenommen.the heat transfer medium supplying heat to the working medium in an open circuit can work. The term "closed circuit" refers to the heat engine branch on the working medium, belongs to the state of the art as well as to the ones mentioned above Belonging to steam generators, the patent application for the additional steam circuit P 17 51 831.9. Both the steam generator and the hot gas process have the indirect feature as a characteristic Heating of the working medium in the årmeauetausch over a partition wall9 on the other hand steam as a working medium is compressed by means of condensation and by means of the feed pump is pressurized again, and hot gas as the working medium becomes whole or compressed almost adiabatically by machine. At Ackeret-Keller this is done, for example, with intermediate cooling.

Als direkter Vorläufer nachstehender Patentanmeldung, Jedoch als Alternative dazu - weil dort die Arbeitsweise grundsätzlich mit offenem Kreislauf möglich und das Arbeitsmedium durch "innereS Verbrennung direkt beheizt wird - ist die Patentanmeldung P 19 64 427.0 anzusehen.As a direct precursor to the patent application below, but as an alternative in addition - because there the working method is basically possible with an open cycle and the working medium is directly heated by "internal combustion" - is the patent application P 19 64 427.0.

Sämtliche angeführten W§rmekraftanlagen haben gegenüber nachstehender Erfindung den Nachteil, daß sie mehr Kraftstoff (Brennmaterial) benötigen, weil sie größere Wärmeverluste aufzuweisen haben.All listed thermal power plants have the following Invention the disadvantage that they need more fuel (fuel) because they have greater heat losses.

Die Aufgabe der Erfindung ist, das Temperaturgefälle der Heizzedien nach unten erweitert auszunützen.The object of the invention is the temperature gradient of the heating media to be used extended downwards.

Erfindungsgemäß wird ein geschlossener Kreislauf mit gasförmigem Arbeitsmedium, z0B0 Luft, Wasserstoff, Helium, ein Frigen oder ein mit ähnlichem Verdampfungsbereich arbeitenden Stoff, kombiniert mit einem zweiten Kreislauf, der "ganz getrennt" oder "halb getrennt vom ersten Kreislauf mitarbeitet, derart, daß der zweite Kreislauf den ersten in der Kompressionsphase kühlt. Diese Kühlwärme wird wieder in Arbeit umgesetzt.According to the invention, a closed circuit with a gaseous working medium, z0B0 air, hydrogen, helium, a Frigen or one with a similar evaporation range working substance, combined with a second cycle, the "completely separate" or "works half separately from the first cycle, in such a way that the second cycle cools the first in the compression phase. This cooling heat is in work again implemented.

Der erste Kreislauf besteht also aus einer gekühlten Verdichtung, mit anschließender Erhitzung in einem Wårmetauschert erfolgt von einer - Je nach Größe der Anlage und ob im Motor oder einer Turbine - ein- oder mehrstufigen, arbeitjiabgebenden Expansion des Arbeitsmediums(I).The first cycle consists of a cooled compression, with subsequent heating in a heat exchanger takes place from one - depending on Size of the system and whether in the engine or a turbine - single or multi-stage, job transferring Expansion of the working medium (I).

Der zweite Kreislauf, wenn er "ganz getrennt" vom ersten verläuft, arbeitet mit einem höher siedenden Medium (Arbeitsmedium II), Wählt man für den ersten Kreislauf Luft, dann für den zweiten z.B.The second cycle, if it is "completely separate" from the first, works with a higher-boiling medium (working medium II), one chooses for the first circuit air, then for the second e.g.

CO2 oder ein Frigen mit passender Siedepunktslage, oder für den ersten Wasserstoff oder Helium und den zweiten Luft oder ein entsprechendee Frigen, usw, Es ist bei der Wahl der Arbeitsmedian mit der Verfahrensanordnung "ganz getrennt"~Wasserstoff mit Luft möglich, also ein Achten auf mögliche chemische Reaktionen zwischen den Arbeitsmedien I und II nicht erforderlich.CO2 or a Frigen with a suitable boiling point, or for the first Hydrogen or helium and the second air or a corresponding freeze, etc., In the choice of the working medium with the process arrangement, it is "completely separate" ~ hydrogen possible with air, so watch out for possible chemical reactions between the Working media I and II not required.

Wesentlich ist beim ganz getrennt" arbeitenden zweiten Kreislauf, daß sich sein Arbeitsmedium (II) durch Verdampfen seine Arbeitsfähigkeit erlangt, und sein Druck durch die Speisepumpe in der flüssigen Phase erreicht wird, gleichgültig ob eine Uberhitzung in den Kreislauf eingebaut ist. Die Verdampfung des Arbeitsmediums If erfolgt als Kühlwirkung während der Kompression des Arbeitmstiums 1.What is essential for the completely separate "working second cycle, that its working medium (II) attains its ability to work through evaporation, and its pressure is reached by the feed pump in the liquid phase, indifferent whether overheating is built into the circuit. The evaporation of the working medium If takes place as a cooling effect during the compression of the working medium 1.

Deshalb ist bei geschlossenem zweiten Kreislauf der Zylinder u.Therefore, when the second circuit is closed, the cylinder u.

möglichst auch der Kolben des Kompressors des ersten Kreislaufs mit größtmöglicher Oberfläche auszufUhren, eventl. in mehrere kleine Zylinder unterteilt0 Als Kompressor ist eine Verdrängerbauart vorgesehen, weil mit größeren Verdichtungsverhältniesen gearbeitet werden soll, Letzteres kann Je nach gewähltem Mindestdruck im Kreislauf ca. 1:3 bis 1:100 sein. Da die max.Temperaturen im Kreislauf nicht höher als ca. 600°C gewollt sind, können dafür die Drücke entsprechend hoch gewählt werden. Ferner werden die Drücke auch auf die erforderlichen Wärmeübergangsverhältnisse in den Wärmetauschern abgestimmt.if possible also the piston of the compressor of the first circuit to execute the largest possible surface, possibly. divided into several small cylinders0 A positive displacement type of compressor is provided because it has higher compression ratios should be worked, the latter can depending on the selected minimum pressure in the circuit be approx. 1: 3 to 1: 100. Since the maximum temperatures in the circuit are not higher than approx. 600 ° C are desired, the pressures can be selected accordingly high. Further the pressures are also based on the required heat transfer conditions in the Matched to heat exchangers.

Die Kondensation des Arbeitsmediums (II) im zweiten Kreislauf erfolgt im Wärmetausch mit dem expandierten Arbeitsmedium (I) des ersten Kreislaufs, sofern nicht die Temperaturen 8o hoch liegen, daß atmosphärische Luft oder Wasser mit Umgebungstemperatur, oder ein anderes KWhlmittel derselben Bedingung herangezogen werden kann. Diese Arbeitsweise bedingt ein abgestimmtes Mengenverhältnis zwischen dem Arbeitsmedium (I) des ersten und (II), dem des zweiten Kreislaufs.The condensation of the working medium (II) takes place in the second circuit in heat exchange with the expanded working medium (I) of the first circuit, provided the temperatures are not 8o high that atmospheric air or water with ambient temperature, or another coolant with the same condition can be used. These The way of working requires a coordinated quantity ratio between the working medium (I) of the first and (II) that of the second circuit.

Der zweite Kreislauf besteht also aus einem Kondensator, einer Speisepumpe, einer Erhitzungsstrecke am Kompressorzylinder vorzugsweise bis zum Zustand des Sattdampfes, dann folgt vorzugsweise eine Uberhitzung des Arbeitsmediums II an dem Heizmedium in einen Wärmetauscher, um entweder parallel zum Arbeitsmedium (I) des ersten Kreislaufes oder hintereinander zu diesem, das Heizmedium auszuwerten; anschließend folgt dann die ein- oder mehrstufige Expansion bis zur oder in die Kondensation, in derselben oder in getrennten Arbeitsmaschinen, jedoch Jedenfalls parallel zum ersten Kreislauf getrennt.The second circuit therefore consists of a condenser, a feed pump, a heating section on the compressor cylinder, preferably up to the state of saturated steam, this is then preferably followed by overheating of the working medium II on the heating medium in a heat exchanger, either in parallel to the working medium (I) of the first circuit or one after the other to this to evaluate the heating medium; then follows then the single or multi-stage expansion up to or into the condensation, in the same or in separate machines, but in any case parallel to the first cycle separated.

Der zweite Kreislauf, wenn er nhalb getrennt" vom ersten verläuft, arbeitet ebenfalls mit einem höher siedenden Arbeitsmedium (11), wie bei der oben beschriebenen gane getrennten Alternative. Im Gegensatz zum "ganz getrennten" Kreislauf, wird hier das hrbeitsmedium II als Kühlmittel flüssig in den Kompressionsraum währehd bezw. vor dem Kompressionshub des Arbeitsmediums (I) des ersten Kreislaufs, zu demselben eingespritzt bezw. eingenebelt, um die bi der Kompression entstehende Wärme nach Möglichkeit zu binden. Das Mengenverhältnis der beiden Arbeitsmedien wird so gewählt, daß das als Kühlmittel wirksame bis zum Kompressionsende möglichst zu Sattdampf umgewandelt ist Anschließend folgt die gemeinsame Erhitzung beider Arbeitsmedien am Heizmedium in einem Wärmetauscher. Hier ist bei der Wahl der Arbeitsmedien auf eine mögliche chemische Reaktion zu achten Bei der an die Erhitzung sich anschließenden Expansion in der Arbeitsmaichine (bezw. -maschinenteil), werden die bei den Arbeitsmedisn, die zu Expansionßbeginn gleichen Druck und gleiche Temperatur haben, bei Expansionsende wohl gleichen Druck, aber verschiedene Temperaturen aufweisen, und zwar werden dieee eo gelegt, daß das Arbeitsmedium II durch das Arbeitsmedium I zum Kondensieren gebracht wird und sich abscheiden läßt (Kondensabscheider).The second cycle, if it is "halfway separate" from the first, also works with a higher-boiling working medium (11), as with the one above described gane separate alternative. In contrast to the "completely separate" cycle, becomes the working medium here II as a liquid coolant in the compression chamber wehrehd resp. before the compression stroke of the working medium (I) of the first circuit, injected respectively to the same. fogged to the bi of compression arising To bind warmth if possible. The quantity ratio of the two working media is chosen so that it is effective as a coolant up to the end of compression as possible is converted to saturated steam. Then the two are heated together Working media on the heating medium in a heat exchanger. Here is the choice of working media pay attention to a possible chemical reaction during the subsequent heating Expansion in the work machine (or machine part), the work medisn, which have the same pressure and temperature at the beginning of the expansion, at the end of the expansion probably the same pressure, but have different temperatures eo laid that the working medium II brought by the working medium I to condense and can be separated (condenser).

Für die Phase des Kondensierens im Anschlup an den Aushub aus der Expansionsmaschine, wird die dafür erforderliche (Wärmetausch-)Strecke vorgesehen mit geeigneten Abscheidungsvorrichtungen, z.BJ eine Siebwand, ein Wasserfilter bett. Flüssigkeitsfilter, eventl. nach dem Zyklonprinzip, oder mittels Schleuderrad, oder auch das Arbeitsmedium II in autgefrorenem Zustand zum Ausfallen gebracht. Nach der Absoheidung wird das Arbeitstediua II wieder in den für die erneute Einspritzung nötigen Zustand überführt.For the condensation phase following the excavation from the Expansion machine, the required (heat exchange) route is provided with suitable separation devices, e.g. a sieve wall, a water filter bed. Liquid filter, possibly. according to the cyclone principle, or by means of a centrifugal wheel, or also caused the working medium II to fail in the frozen state. To After separation, the working stage II will return to that for re-injection necessary state transferred.

Diese Löeiwg hat den Vorteil, daß die Kompression weniger Arbeit verbraucht ale in den bekannten Wärmekraftmaschinen, daß die dabei gebundene Wärmemenge im Arbeitsmedium II verbleibt und bei der Expansion wieder Arbeit abgibt, daß die Arbeitsnedlen I und II bei den gewählten Temperaturen und Drücken das Heizmedium in einem weiter nach unten reichenden Temperaturbereich auswertet als seither bekannt, und somit ein größerer thermischer Wirkungsgrad als Jetzt möglich, erreicht wird.This Löeiwg has the advantage that the compression requires less work ale in the known heat engines that the amount of heat bound in the process Working medium II remains and releases work again during expansion that the Arbeitsnedlen I and II continue the heating medium at the selected temperatures and pressures down-reaching temperature range evaluates as known since then, and thus a greater thermal efficiency than now possible is achieved.

Die Leistung und das Betriebsverhalten werden durch Andern des Kompressionsdruckes und der Brennstoffzufuhr geregelt, vorzugsweise in Abhängigkeit voneinander. An die Stelle des Brennstoffes können auch andere Heizmedien treten, wie Abwärme, gebunden an Gase oder Flüssigkeiten.The performance and performance are determined by changing the compression pressure and the fuel supply regulated, preferably as a function of one another. At Other heating media, such as waste heat, can also take the place of the fuel to gases or liquids.

Beschreibung der Blockschemas: In Figur 1 stellen dar: 1 den Kompressorkolben zur Verdichtung des Arbeitsmediums I 2 den Expansionskolben in Zusammenarbeit mit 1 über die Kurbelwelle verbunden 3 den Expansionskolben für das Arbeitsmedium II 4 eine eventl. Kupplung (eventl. Freilauf) zwischen Kompressor und Motor (im Falle des Freilaufs), der - solange kein Arbeitsdruck vorhanden - wirksam ist, muß ein Schwungrad mit Anlasser auf der Kompressorseite angeordnet sein 5 Schwungrad 6 Anlasser 11 federdruckregelbares Kompressorauslassventil 12 Druckleitung 13 Erhitzer des Arbeitsmediums I; 131 Arbeitsdruckregelventil mit Manometer 132 13 ist zugleich Speicher und glättet die Druckimpulse 14 u. 15-16 Zu- und Ableitung des Arbeitsmediums 1 vom Expansionszylinder 17 Vorratsbehälter und 171 das Ventil mit Manometer dazu für das Arbeitsmedium I (das eventl. unter Druck steht) - d.ho der Expansionsenddruck höher als 1 ata -31 Vorratsbehälter für das Arbeitsmedium II 32 die Speisepumpe mit dem Manometer 321 33 der als Verdampfer ausgebildete Zylindermantel 34 Dampfrohr zum Uberhitzer 35 Uberhitzer und Dampfdruckakku mit dem Arbeitsdruckregelventil 351 und Manometer 352; 353 Sicherheitsventil 36 u. 37 Verbindungsleitungen (sämtl. Verbindungsleitungen 5 in Wirklichkeit ganz kurz gehalten) 38 stellt mit 15 und 16 den Kondensator für das Arbeitsmedium II dar 39 Kondensableiter 40 ist der das Heizmedium führend Teil des Erhitzer.Description of the block diagrams: FIG. 1 shows: 1 the compressor piston to compress the working medium I 2 the expansion piston in cooperation with 1 connected via the crankshaft 3 the expansion piston for the working medium II 4 an eventual Clutch (possibly freewheel) between compressor and motor (in the case of the freewheel), which - as long as there is no working pressure - is effective, a Flywheel with starter can be arranged on the compressor side 5 flywheel 6 starter 11 Compressor outlet valve with adjustable spring pressure 12 Pressure line 13 Heater of the Working medium I; 131 Working pressure control valve with manometer 132 13 is at the same time Stores and smooths the pressure pulses 14 and 15-16 supply and discharge of the working medium 1 from the expansion cylinder 17 reservoir and 171 the valve with pressure gauge for the working medium I (which may be under pressure) - i.e. the final expansion pressure higher than 1 ata -31 reservoir for the working medium II 32 the feed pump with the manometer 321 33 of the cylinder jacket 34 designed as an evaporator steam pipe to the superheater 35 superheater and steam pressure accumulator with the working pressure control valve 351 and manometer 352; 353 safety valve 36 and 37 connecting lines (all. Connecting lines 5 kept very short in reality) 38 represents with 15 and 16 represents the condenser for the working medium II 39 condensate drain 40 is the that Heating medium leading part of the heater.

In Figur 2 stellen dar: Dieselben Positionenummern stellen dasselbe dar: 16 stellt ebenfalls den Kondensator dar 300 Kondensableiter 310 Vorratsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium II (eventl. unter Druck) 320 Einspritzpumpe 530 Einspritzdüse bei li ist an eine spiralige Führung.des Arbeitsmediums I gedacht, ebenso bei 40 für das Heizmedium, nach der Figur für Feuergas gedacht 41 Brennraum 42 Flamme 45 Verbrennungsluftgebläse 44 Brenner 45 Kraftstoffpumpe - und 46 Kraftstoffbehälter.In Figure 2 show: The same position numbers represent the same thing Fig. 16 also shows the condenser 300 condensate drain 310 storage container for the liquid working medium II (possibly under pressure) 320 injection pump 530 injection nozzle at left a spiral guidance of the working medium I is thought, also at 40 for the heating medium, according to the figure intended for fire gas 41 combustion chamber 42 flame 45 Combustion air fan 44 burner 45 fuel pump and 46 fuel tank.

In den Figuren sind die Maschinen mit Hubkolben gezeichnet. In the figures, the machines are drawn with reciprocating pistons.

Selbstverständlich kann der Kompressor auch mit Drehkolben arbeiten, und ebenso der Expansionsteil. Letzterer kann auch als Turbine ausgelegt werden. In diesem Falle kann 4 in Figur 1 ein Getriebe darstellen. Of course, the compressor can also work with rotary lobes, and also the expansion part. The latter can also be designed as a turbine. In this case, 4 in FIG. 1 can represent a transmission.

Patentansprüche: 1. Wärmekraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zwei geschlossene Arbeitskreisläufe getrennt parallel zusammenarbeiten, wo der zweite Kreislauf die Verdichtungswärme des ersten verarbeitet, wobei das Arbeitsmedium I des ersten das des zweiten kondensiert. Claims: 1. Heat engine, characterized in that two closed working cycles work together separately in parallel, where the second Circuit processed the heat of compression of the first, the working medium I of the first condensed that of the second.

Claims

2. Heat engine, characterized in that two geachlosX These working cycles work together semi-separately, where the working medium II of the second circuit for internal cooling

respectively Dissipation of the heat of compression of the working medium I in the Koipressionsraum injected, compressed with the Arbeitsiediui I, then is heated and then expanded, and connected in one to the exhaust pipe Capacitor is eliminated and re-injected after the working medium II condensed on the working medium I.

3. Thermal power machine according to claim 1 and 2, characterized in that that the power control by changing the fuel supply and the compression pressure preferably takes place as a function.