DE3301726C2

DE3301726C2 -

Info

Publication number: DE3301726C2
Application number: DE19833301726
Authority: DE
Inventors: Graf Von Peter Dipl.-Math. Dipl.-Kaufm. 8000 Muenchen De Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-01-20
Filing date: 1983-01-20
Publication date: 1987-10-08
Also published as: DE3301726A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmekraftmaschinen mit getrennten Maschinen zur Verdichtung und Entspannung des Arbeitsmediums und mit einer zwischenliegenden Kammer zur Wärmezufuhr.The invention relates to heat engines with separate machines to compress and relax the working medium and with a intermediate chamber for heat supply.

Dabei wird ein kompressibles Fluid in einem oder mehreren Verdichtern komprimiert und dadurch erwärmt. Danach wird es in eine Kammer gebracht, wo ihm durch Verbrennung oder über Wärmetauscher weitere Wärme zugeführt wird. In mehreren Kraftmaschinen wird das unter Druck stehende Fluid auf den Anfangsdruck entspannt.A compressible fluid is used in one or more compressors compressed and thereby warmed. After that, it gets into a chamber brought where it by combustion or via heat exchangers Heat is supplied. This is under pressure in several engines standing fluid relaxed to the initial pressure.

Kennzeichnend für die Maschinenanlagen ist, daß Drehkolbenmaschinen zur Verdichtung und Entspannung oder zwischen Verdichtungsmaschinen und Brennkammer oder zwischen Brennkammer und Expansionsmaschinen verwendet werden, die nicht nur isobare Wärmezufuhr in der Brennkammer zulassen und so angeordnet werden können, daß auch bei unterschiedlichen Gasmengendurchsätzen in der Brennkammer eine nichtpulsierende Strömung konstanter oder sich nur geringfügig ändernder Geschwindigkeit entsteht. Als Wärmekraftmaschinen mit innerer kontinuierlicher Verbrennung (IKV- Maschinen) und einem Gas als Arbeitsmedium sind verschiedene Ausführungen bekannt.It is characteristic of the machine systems that rotary piston machines for Compression and relaxation or between compression machines and Combustion chamber or used between the combustion chamber and expansion machines that not only allow isobaric heat input in the combustion chamber and can be arranged so that even with different gas flow rates a non-pulsating flow in the combustion chamber is more constant or the speed changes only slightly. As heat engines with internal continuous combustion (IKV- Machines) and a gas as the working medium are different designs known.

Die allgemein bekannteste Ausführung stellt die Gasturbine dar. Gasturbinen haben einen nichtpulsierenden Gasmengendurchfluß durch die Brennkammer, weisen aber als Nachteil eine isobare Wärmezufuhr auf, die der isochoren (Ottomotor) oder gemischten (Dieselmotor) Wärmezufuhr unterlegen ist. Daneben haben Gasturbinen ein unbefriedigendes Teillastverhalten. Es sind auch mit Kolbenmaschinen realisierte IKV-Maschinen bekannt, die nicht nur isobare Wärmezufuhr realisieren können (z. B. Britalus-Maschine; aus: Osenga, M.; And now the Britalus; Diesel Progress North American; Jan. 1982). Ein üblicher Nachteil solcher Maschinenanlagen ist aber, daß die Zu- und/oder Abfuhr des Arbeitsgases in die bzw. aus der Brennkammer pulsierend erfolgt. Die dadurch entstehenden mechanischen Energieverluste zehren die Vorteile des besseren thermodynamischen Prozesses weitgehend auf.The gas turbine is the best known version. Gas turbines have a non-pulsating gas flow through the combustion chamber, but have as a disadvantage an isobaric heat supply, that of the isochoric (Gasoline engine) or mixed (diesel engine) heat supply is inferior. In addition, gas turbines have unsatisfactory part-load behavior. IKV machines realized with piston machines are also known, which can not only implement isobaric heat supply (e.g. Britalus machine; from: Osenga, M .; And now the Britalus; Diesel Progress North American; Jan. 1982). A common disadvantage of such machine systems is that the supply and / or discharge of the working gas into and out of the combustion chamber pulsating. The resulting mechanical energy losses take advantage of the better thermodynamic process largely on.

Ein weiterer Nachteil bisheriger IKV-Maschinen - (wie bereits oben erwähnt) besonders der Gasturbinen - ist, daß sie für wechselnde Leistungen (Teillastbereich) schlecht geeignet sind. Zum Teil liegt das daran, daß am Brenner eine nahezu konstante Gasgeschwindigkeit vorliegen muß, sodaß eine Regelung der Leistung nur schlecht über den Gasmengendurchsatz erfolgen kann, sondern vor allem über die Maximaltemperatur des Prozesses durchgeführt werden muß. Der thermodynamische Wirkungsgrad hängt aber stark von der Höhe der Maximaltemperatur des Prozesses ab.Another disadvantage of previous IKV machines - (as already mentioned above) especially of the gas turbines - is that they can handle changing outputs (part load range) are poorly suited. Partly that's because of the burner an almost constant gas velocity must exist, so that regulation performance poorly through the gas flow rate can, but above all about the maximum temperature of the process must be carried out. However, the thermodynamic efficiency depends strongly depends on the level of the maximum temperature of the process.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.The invention seeks to remedy this.

Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, ermöglicht auch nichtisobare Wärmezufuhr in der Brennkammer, wobei die Gasgeschwindigkeit am Brenner auch bei unterschiedlichen Gasmengendurchsätzen durch Änderung der Verdichtung und/oder Verzweigung von Gasströmen mit Hilfe von Ventilen nahezu konstant gehalten werden kann. Winkel- bzw. geschränktachsige Drehkolbenmaschinen sind bekannt (z. B. DE-OS 26 55 649, EP 91 975).The invention as characterized also enables non-isobaric heat input in the combustion chamber, whereby the gas velocity at the burner even with different gas flow rates by changing the compression and / or branching of gas flows can be kept almost constant with the help of valves. Angular or inclined-axis rotary lobe machines are known (e.g. DE-OS 26 55 649, EP 91 975).

Fig. 2 zeigt die perspektivische Ansicht zweier winkelachsiger Drehkolben. Dabei sind zwei Drehkolben (10 a, 10 b) mit Sektoren mit großem Radius (11 a, 11 b) und mit Sektoren mit kleinem Radius (12 a, 12 b) so zueinander angeordnet, daß sich die Sektoren mit großem Radius (11 a) des einen Kolbens (10 a) durch die Sektoren kleinen Radius (12 b) des anderen Kolbens (10 b) bewegen und umgekehrt. Fig. 2 shows the perspective view of two angular-axis rotary pistons. Two rotary pistons ( 10 a , 10 b) with sectors with a large radius ( 11 a , 11 b ) and with sectors with a small radius ( 12 a , 12 b ) are arranged so that the sectors with a large radius ( 11 a ) move one piston ( 10 a) through the small radius sectors ( 12 b) of the other piston ( 10 b) and vice versa.

Fig. 3 zeigt die Bewegung der großen Kolbensektoren (11 a, 11 b) als Projektion von einer bzw. zwei Radlaufflächen in eine Ebene. Die Drehkolben sind von einem Gehäuse (20) umgeben, so daß sich die Sektoren mit großem Radius (11 a, 11 b) in einem von Gehäuse und Kolben gebildeten Kanal (13 a, 13 b) bewegen und die Kanäle der beiden Kolben sich schneiden. Vor der Kreuzung (14) der beiden Kanäle entstehen dadurch Räume (= Druckräume) (15 a, 15 b), die verkleinert werden, hinter der Kreuzung entstehen Saugräume (16 a, 16 b), die vergrößert werden. Die Frontwirkflächen (17 a, 17 b) und die Endwirkflächen (18 a, 18 b) der Kolben sind abgeschrägt, so daß die Kolbensektoren sich ohne gegenseitige Behinderung bewegen lassen (gleiche Kolbengeschwindigkeit), die Kanalkreuzung aber dennoch bis auf einen schmalen Spalt, der immer nur zwei Druck- oder zwei Saugräume verbindet und damit keine Abdichtungsaufgaben übernehmen muß, abgeschlossen bleibt. Fig. 3 shows the movement of the large piston sectors ( 11 a , 11 b ) as a projection of one or two wheel treads in one plane. The rotary pistons are surrounded by a housing (20) so as to move the sectors with a large radius (11 a, 11 b) in a space formed by the housing and piston channel (13 a, 13 b) and the channels of the two pistons intersect . Before the intersection ( 14 ) of the two channels, spaces (= pressure spaces) ( 15 a , 15 b) are created , which are reduced, behind the intersection, suction spaces ( 16 a , 16 b) are created , which are enlarged. The front effective surfaces ( 17 a , 17 b) and the end effective surfaces ( 18 a , 18 b) of the pistons are chamfered, so that the piston sectors can be moved without mutual hindrance (same piston speed), but the channel crossing but up to a narrow gap, the always connects only two pressure or two suction spaces and therefore does not have to perform any sealing tasks.

Wie man sieht, ist die Summe der Zunahmen der Flächen hinter der Kreuzung in einer Zeiteinheit konstant (= Bewegen beider Kolbensektoren (11 a, 11 b) in Bewegungsrichtung um eine Längeneinheit l₀). Gleiches gilt für die Verkleinerung pro Zeiteinheit der Flächen vor der Kreuzung. Sind die Räume hinter der Kreuzung über Kanäle (22 a, 22 b) permanent zum gleichen Raum offen und die Räume (15 a, 15 b) vor der Kreuzung über Kanäle (21 a, 21 b) ebenfalls permanent zu einem anderen Raum offen, so entsteht in einem Raum ein stetiger, pulsationsfreier Druck, im anderen Raum ein stetiger, pulsationsfreier Sog. Winkelachsige Drehkolbenmaschinen weisen also eine pulsationsfreie Förderung auf. Ebenso weisen Schraubenmaschinen eine pulsationsfreie Förderung auf. As can be seen, the sum of the increases in the areas behind the intersection is constant in one time unit (= moving both piston sectors ( 11 a , 11 b) in the direction of movement by a length unit l ₀). The same applies to the reduction per unit of time of the areas before the intersection. Are the rooms behind the crossing via channels ( 22 a , 22 b ) permanently open to the same room and the rooms ( 15 a , 15 b) before the crossing via channels ( 21 a , 21 b) also permanently open to another room, this creates a steady, pulsation-free pressure in one room, a steady, pulsation-free suction in the other room. Angular-axis rotary lobe machines therefore have pulsation-free delivery. Screw machines also have pulsation-free conveying.

In Patentanspruch 1 wird Schutz für eine besondere Anordnung für eine Wärmekraftmaschine mit innerer oder äußerer kontinuierlicher Verbrennung begehrt, bei der mehrere Verdrängermaschinen zur Verdichtung und Entspannung des Arbeitsmittels eingesetzt werden und bei der die hinter der Kammer zur Wärmezufuhr verwendete Verdrängermaschine eine pulsationsfreie Abführung des Arbeitsmittels aus der Kammer ermöglicht. Die anderen Ansprüche sind auf Weiterbildung dieser grundsätzlichen Anordnung ausgerichtet.In claim 1 protection for a special arrangement for a Heat engine with internal or external continuous combustion coveted, with several displacement machines for compaction and relaxation of the work equipment can be used and the behind The displacement machine used for the heat supply has a pulsation-free one Allows the working fluid to be removed from the chamber. The others Claims are based on further development of this basic arrangement.

Fig. 1 zeigt eine dem globalen Patentgedanken zugrundeliegende Anordnung für eine Wärmekraftmaschine mit mehreren Drehkolbenmaschinen. Dabei sind mehrere winkelachsige Drehkolbenmaschinen so angeordnet, daß eine Maschine (51) zur Förderung des Arbeitsmittels aus der Atmosphäre Luft ansaugt und verdichtet in einen Pufferraum (52) transportiert, der nicht zur Atmosphäre geöffnet ist (= keine Turbomaschine). Dieser Pufferraum (52) kann ein Wärmetauscher oder ein sonstiger Raum, aber auch nur ein kurzer Rohrabschnitt sein. Eine zweite Maschine (53) (die dem Patentanspruch 2 genügt oder aber eine Turbomaschine ist) saugt die Luft aus dem Pufferraum (52) und fördert sie pulsationsfrei in die Brennkammer (54). Die Verdichtung findet somit im Pufferraum (52) statt und ergibt sich aus dem Verhältnis des mit Maschine (51) zur Förderung des Arbeitsmittels angesaugten Luftvolumens zu dem Volumen der mit der zweiten Maschine (53) pro Zeiteinheit in die Brennkammer (54) geförderten Luft. Fig. 1 shows a principle underlying the global patent thought assembly for a heat engine having a plurality of rotary piston engines. Several angular-axis rotary lobe machines are arranged so that a machine ( 51 ) for conveying the working fluid draws air from the atmosphere and compresses it into a buffer space ( 52 ) that is not open to the atmosphere (= no turbo machine). This buffer space ( 52 ) can be a heat exchanger or another space, but also only a short pipe section. A second machine ( 53 ) (which meets claim 2 or is a turbo machine) sucks the air out of the buffer space ( 52 ) and conveys it to the combustion chamber ( 54 ) without pulsation. The compression thus takes place in the buffer space ( 52 ) and results from the ratio of the air volume drawn in with the machine ( 51 ) for conveying the working fluid to the volume of the air conveyed into the combustion chamber ( 54 ) per unit of time with the second machine ( 53 ).

Von der Brennkammer (54), in der dem Arbeitsmittel (Luft, Rauchgas usw.) Wärme zugeführt wird und damit sein Volumen und/oder Druck vergrößert wird, wird das Arbeitsmittel durch eine der Brennkammer unmittelbar nachgeschaltete Expansionsmaschine (55) pulsationsfrei abgesaugt und in einen weiteren Raum (56) gefördert. Aus diesem Raum (56) fließt das unter Druck stehende Arbeitsmittel in zwei Expansionsmaschinen (57, 58), von denen eine (57) die Maschine (51) zur Förderung des Arbeitsmittels antreibt, die andere (58) einen Generator (59) treibt oder eine andere Arbeitsmaschine oder ein Fahrzeug.From the combustion chamber ( 54 ), in which heat is supplied to the working medium (air, flue gas, etc.) and thus its volume and / or pressure is increased, the working medium is sucked off pulsation-free by an expansion machine ( 55 ) immediately downstream of the combustion chamber and into one promoted another room ( 56 ). The pressurized working fluid flows from this space ( 56 ) into two expansion machines ( 57, 58 ), one ( 57 ) of which drives the machine ( 51 ) for conveying the working fluid, the other ( 58 ) drives or a generator ( 59 ) another machine or vehicle.

Die Maschinen (53) und (55) Maschinenkombination A) sind hier durch eine Welle (60) so verbunden, daß sich ein konstantes Drehzahlverhältnis und somit ein konstantes Verhältnis des Volumendurchsatzes ergibt (= spez. Volumen in (55)/ spez. Volumen in (53)). Ebenso haben die Maschinen (51) und (57) (= Maschinenkombination B) ein konstantes Drehzahlverhältnis. Die Drehzahlverhältnisse könnten aber z. B. über ein Getriebe verändert werden. The machines ( 53 ) and ( 55 ) machine combination A) are connected here by a shaft ( 60 ) in such a way that there is a constant speed ratio and thus a constant ratio of the volume throughput (= specific volume in ( 55 ) / specific volume in ( 53 )). Likewise, machines ( 51 ) and ( 57 ) (= machine combination B) have a constant speed ratio. The speed ratios could, for. B. be changed via a transmission.

Die Maschinenkombination A soll konstante Drehzahl haben und damit eine konstante Gasgeschwindigkeit am Brenner ermöglichen. Dies kann z. B. durch Ventile (61, 62) geregelt werden. Wenn die Drehzahl zu klein wird, öffnet Ventil (61). Dadurch sinkt der Druck hinter der Maschine (55) und steigt vor (53).The machine combination A should have a constant speed and thus allow a constant gas speed at the burner. This can e.g. B. can be controlled by valves ( 61, 62 ). If the speed becomes too low, valve ( 61 ) opens. This reduces the pressure behind the machine ( 55 ) and increases ( 53 ).

Wenn die Drehzahl zu groß ist, dann öffnet Ventil (62). Dann sinkt der Druck vor der Maschine (55) und steigt dahinter.If the speed is too high, valve ( 62 ) opens. Then the pressure in front of the machine ( 55 ) drops and rises behind it.

Die Drehzahl der Maschinenkombination B hängt vom Druck in Raum (56) ab. Sie kann aber nicht unbegrenzt beschleunigt werden, da sonst der Druck im Pufferraum (52) zu stark ansteigt und damit die Maschine (51) bremst.The speed of machine combination B depends on the pressure in room ( 56 ). However, it cannot be accelerated indefinitely, since otherwise the pressure in the buffer space ( 52 ) increases too much and thus brakes the machine ( 51 ).

Diese Anordnung ermöglicht zum einen einen pulsationsfreien Gasstrom konstanter Geschwindigkeit durch die Brennkammer. Die konstante Geschwindigkeit soll kurz gezeigt werden:On the one hand, this arrangement enables a pulsation-free gas flow constant speed through the combustion chamber. The constant speed should be shown briefly:

Sei
U₁= Drehzahl von Maschinenkombination B U₂= Drehzahl von Maschinenkombination A V₁= Durchsatzvolumen der Maschine (51) p. Umdrehung V₂= Durchsatzvolumen der Maschine (53) p. UmdrehungBe
U ₁ = speed of machine combination B U ₂ = speed of machine combination A V ₁ = throughput volume of the machine ( 51 ) p. Revolution V ₂ = throughput volume of the machine ( 53 ) p. revolution

Im Raum (52) wird Gas des Volumens U₁ · V₁ zugeführt und Gas des Volumens U₂ · V₂ abgeführt. Für die Verdichtung ε gilt also:In the space ( 52 ) gas of the volume U ₁ · V ₁ is supplied and gas of the volume U ₂ · V ₂ is removed. The following therefore applies to compression ε :

ε = (U₁ · V₁)/(U₂ · V₂) = U₁ · Konstante ε = (U ₁ · V ₁) / (U ₂ · V ₂) = U ₁ · constant

Die einfließende Gasmenge ist:The amount of gas flowing in is:

= ρ · U₁ · V₁ kg =ρ ·U₁ ·V₁ kg

Beim Brennerquerschnitt gilt die Kontinuitätsgleichung:The continuity equation applies to the burner cross section:

m · v = A · c m · v = A · c

mitWith

= durchströmende Gasmasse in kg/sec v = 1/( ρ · e ) m³/kg = spezifisches Volumen am Brenner A = Querschnittsfläche am Brenner in kg c = Gasgeschwindigkeit am Brenner in m/sec p = spezifisches Gewicht der Ansaugluft in kg/m³ = flowing gas mass in kg / sec v = 1 /( ρ ·e ) m³ / kg = specific volume on the burner A = Cross-sectional area on the burner in kg c = Gas velocity at the burner in m / sec p = specific weight of the intake air in kg / m³

Dann istThen

c = ( · v)/A = ( p · U₁ · V₁ · U₂ · V₂)/( ρ · U₁ · V-₁ · A)
= (U₂ · V₂)/A c = ( · v) / A = ( p · U ₁ · V ₁ · U ₂ · V ₂) / ( ρ · U ₁ · V -₁ · A )
= (U ₂ · V ₂) / A

Da U₂, V₂ und A konstant sind, ist auch c konstant.Since U ₂, V ₂ and A are constant, c is also constant.

Man kann auch das Verhältnis der Wärmezufuhr in der Brennkammer beliebig wählen. Der isobare Vergrößerungsfaktor ψ = (spez. Vol. hinter der Brennk.)/(spez. Vol. vor der Brennk.), kann durch das Durchsatzvolumen p. Umdrehung V₂ der Maschine (53) und V₄ der Maschine (55) das ψ festgelegt werden ( ψ = V₄/V₂).The ratio of the heat input in the combustion chamber can also be chosen arbitrarily. The isobaric enlargement factor ψ = (specific volume behind the boiler) / (specific volume before the boiler) can be determined by the throughput volume p. Revolution V ₂ of the machine ( 53 ) and V ₄ of the machine ( 55 ) that ψ are determined ( ψ = V ₄ / V ₂).

Claims

1. Heat engine with separate machines for compression and expansion of the working medium and with an intermediate chamber for the supply of heat, characterized in that

a) two machines ( 51, 53 ) for conveying the work equipment and at least two expansion machines ( 55, 57, 58 ) are provided,
b) sucks a machine ( 51 ) for conveying the working medium from the atmosphere and conveys it into a buffer space ( 52 ),
c) sucks a machine ( 53 ) for conveying the working fluid from the buffer space ( 52 ) and conveys it to the chamber ( 54 ) for supplying heat,
d) an expansion machine ( 55 ) receives heated working fluid from the chamber ( 54 ) and delivers it to a room ( 56 ),
e) takes up at least one expansion machine ( 57, 58 ) working medium from the room ( 56 ) and releases it to the atmosphere,
f) the machine ( 53 ) upstream of the chamber ( 54 ) and the expansion machine ( 55 ) immediately downstream of the chamber ( 54 ) are in drive connection,
g) the expansion machine ( 55 ) immediately downstream of the chamber ( 54 ) is designed as a displacement machine with pulsation-free removal of working fluid from the chamber ( 54 ) and
h) they are delivery volumes of the chamber (54) immediately upstream machine (53) for conveying the working fluid and the chamber (54) immediately downstream of the expansion machine (55) with respect to control.

2. Heat engine according to claim 1, characterized in that the immediately before the chamber ( 54 ) arranged machine ( 53 ) for conveying the working fluid is a screw machine or an angular-axis rotary piston machine.

3. Heat engine according to claim 1 or 2, characterized in that the machine ( 53 ) before and the expansion machine ( 55 ) behind the chamber ( 54 ) have a constant speed ratio and a constant ratio of the throughput volumes to each other.

4. Heat engine according to one or more of claims 1-3, characterized in that the volume throughput per unit of time, which can be varied from the atmosphere-sucking machine ( 51 ) for conveying the working fluid and the volume throughput per unit of time directly of the chamber ( 54 ) upstream machine ( 53 ) is kept constant.

5. Heat engine according to claim 4, characterized in that the immediately upstream of the chamber ( 54 ) machine ( 53 ) and the chamber ( 54 ) immediately downstream expansion machine ( 55 ) have constant speed and that the speed control with the aid of a valve ( 61 ) in a line between the buffer space ( 52 ) and the space ( 56 ) and with the aid of a valve ( 62 ) in a line between the chamber ( 54 ) and the space ( 56 ).