Verfahren zum Betrieb von Kraftmaschinenanla.gen, die aus einer Verbrennungsmaschine und einer Dainpfki#aftanlage bestehen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einer aus einer Verbrennungsmaschine und einer Dampfkraftanlage bestehenden Kraftan lage, bei der der Anteil der Dampfmaschinen arbeit gleich dem Anteil der Verbrennungs- maschinenarbeit bis etwa doppelt so gross als dieser Anteil ist, einen thermischen Gesamt wirkungsgrad zu erhalten, der etwa gleich dem der reinen Verbrennungsmaschine oder grösser ist. Hierbei soll grösstmöglichste Be triebssicherheit dieser Maschinenanlage Vor aussetzung sein.
Da unter den heutigen Be triebsbedingungen, d. h. bei den üblichen Dampfspannungen bis etwa 20 atm. Anfangs druck, beim Steigen des Anteils der Dampfs maschinenarbeit der therrnische Gesamtwir kungsgrad einer solchen Anlage naturgemäss sinkt, so müsste eine Steigerung der Dampf arbeit als unwirtschaftlich gelten und die Lösung der Erfindungsaufgabe in Frage stellen.
Die Erkenntnis nun, dass hochgespannter Dampf von -einer Spannung von über 20 atm. bestimmte Vorteile mit sich bringt, liess die gestellte Aufgabe doch noch als lösbar er- scheinen, . wenn es gelang; hocb.gespannten Dampf gleichzeitig mit der Verlustwärme der Verbrennungsmaschine vorteilhaft auszu nutzen.
Nach dem erfindungsgemässen Ver fahren wird der Hochdruckstufe einer mehr stufigen Dampfmaschine hochgespannterDampf von mehr als 20 atm. Spannung, der in einer Dampfkesselanlage mit eigener Feuerung er zeugt wird, und einer Zwischenstufe dieser Maschine zusätzlicher Dampf von einer dieser Stufe entsprechenden Spannung zugeführt, der unabhängig von dem Dampfkessel durch die Verlustwärme im Kühlmantel der Verbren nungsmaschine gewonnen wird.
Der Druck im Kühlmantel, der durch das Verfahren gemäss der Erfindung unabhängig vom Dampfkesseldr uck wird, wird zweck mässigerweise nur so weit gesteigert, dass die Betriebssicherheit der Verbrennungsmaschine nicht darunter leidet. Ein Teil des vom Kessel kommenden Dampfes kann gegebenenfalls zur Zwischenüberhitzung verwendet werden.
Eine in der angegebenen Weise arbeitende Kraftanlage stellt eine einfache und zweck- mässige Lösung der erwähnten Aufgabe dar und zeitigt gegenüber einer reinen Verbren nungsmaschine einen erheblichen Fortschritt. Eine solche Maschinenanlage, die zum Bei spiel eine Verbrennungsmaschine mit 6 ein fach wirkenden, im Viertakt arbeitenden Ver brennungszylinder von dem bisher als höchst zulässig angesehenen Durchmesser von 700 mm enthält, die mit einer Hochdruckdampfmaschine derart zusammenarbeitet, dass der Arbeitsan teil der Verbrennungsmaschine zu dem der Dampfmaschine sich wie 1 : 2 verhält, kann eine Gesamtleistung von 7200 PS abgeben. Dabei ist der thermische Gesamtwirkungsgrad ebensogross, wie der einer reinen Zweitakt verbrennungsmaschine.
Die genannte Ver brennungsmaschine allein würde demgegen über nur eine Leistung von etwa 2400 PS erzielen. Hierzu kommt der wichtige Um stand, dass bei Betriebsstörungen der Ver brennungsmaschine die Dampfmaschine für sich allein arbeiten und die Verbrennungs maschine durch letztere angelassen werden kann, was insbesondere bei Schiffskraftanlagen ins Gewicht fällt.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem praktischen Beispiel erörtert werden.
Es sei zunächst angenommen, dass im Dampfkessel und im Kühlmantel der Ver brennungsmaschine derselbe Druck herrscht. Wählt rnan für Kessel der Dampfkraftanlage einen Druck von 50 atm. und benutzt ausser dem alle Mittel, die den Arbeitsprozess der Dampfmaschine günstig gestalten können, wie hohe, bezw. mehrfache Überhitzung des. Frisch und Zwischendampfes, hohe Luftleere, weit gehende Expansion usw., so kann man mit dem aus dem Dampfkessel kommenden Dampf für sich allein auf einen Wärmeverbrauch von etwa 2000 WE für 1 PSe/Std., auf Dampf wärme bezogen, kommen.
Dabei ist eine Überhitzung des Frischdampfes auf 400 bis 450 C und eine zweimalige Überhitzung des Zwischendampfes auf<B>220-2500</B> C angenom men. Je niedriger aber der Wärmeverbrauch der Dampfkraftmaschine au sich ist, umso grösser ist der Einfluss der verwerteten Ver lustwärme der Verbrennungskraftmaschine. Betrachtet man zum Beispiel einen Vier taktverbrennungsmotor mit einem Wärmever brauch von 1800 W E für 1 PSe/Std., von dem 750 WE aus der Verlustwärme zur Dampf erzeugung verwertet werden können, so ist der Wärmeaufwand der Dampfkesselanlage an Brennstoff bei einem Kesselwirkungsgrad von 80 v.
H. nur noch
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für 1 PSe/Std. der Dampfkraftmaschine. Wenn die Dampfarbeit so gross ist .wie die Verbrennungsarbeit, so ergibt sich hieraus der Wärmeverbrauch, bezogen auf die Gesamt leistung, zu
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für 1 PSe/Std., was einem thermischen Gesamt wirkungsgrad von 37,6 v. H. entspricht.
Gibt man der Dampfarbeit die doppelte Grösse der Verbrennungsarbeit, so errechnet sich ein Wärmeaufwands an der Kesselanlage für 2 PSe/Std. der Dampfkraftmaschine von
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oder von 2031 WE für 1 PSe/Std. Auf die Gesamtleistung be zogen, führt das auf einen Wärmeverbrauch von
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für 1 PSe/Std. Derthermische Gesamtwirkungsgrad ist hierim- mer noch 32,3 v. H., also so hoch wie der einer reinen Zweitaktverbrennungskraftmaschine.
Um den durch Verwendung des hochge spannten Dampfes erzielten Fortschritt noch deutlicher vor Augen zu führen, sei zum Ver gleich eine Kraftmaschinenanlage herange zogen, deren Dampfteil aus einer Dampfkraft anlage mit dem üblichen Dampfdruck von 15 atm. und demgemäss einen Wärmever brauch von etwa 2800 WE für 1 PSe/Std. an Dampfwärme bei 350 C Überhitzung be steht.
Der Wärmeaufwand an der Dampfkessel anlage ergibt sich hier zu etwa
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für 1 PSe/Std. Ist die Dampfar beit so gross wie die Verbrennungsarbeit, so beträgt der Wärmeverbrauch, auf die Gesamt leistung bezogen,
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für 1 PSe/Std., und der thermische Gesamt wirkungsgrad beläuft sich nur noch auf 28,9 v. H. gegenüber 37,6 v. H. bei dem hoben Dampfdruck.
Wird die Dampfarbeit zweimal so gross wie die Verbrennungsarbeit gemacht, dann ist der Wärmeaufwand für 1 PSe/Std. der C-resamtleistung 2623 WE und der thermische Gesamtwirkungsgrad nur noch 24;0 v. H. gegen 32,3 v. H. im ersten Fall.
.Die zuerst errechneten Zahlen besitzen für eine Kraftmaschinenanlage Gültigkeit, die auch im Kühlmantel den hohen Dampfdruck von 50 atm. verwendet. Dieser Druck würde aber, wie oben angedeutet, die Betriebssicher heit der Verbrennungsmaschine stark gefähr den. Es wird daher in den Kühlmänteln der Verbrennungszylinder ein niedrigerer Dampf druck verwendet und dieser Dampf von nie drigerer als der Frischdampfspannung einer Zwischenstufe der Dampfkraftmaschine zuge führt.
Wählt man zum Beispiel den Dampf druck im Kühlmantel zu etwa 12 atm. ent sprechend einer Temperatur von 1870, so wird bei sachgemässer Zylinderkonstruktion die Temperatur der Kolbenlauffläche nur noch etwa 2100 sein, eine Gefährdung des Betriebes nicht mehr eintreten. Das wirtschaftliche<B>Er-</B> gebnis bleibt trotzdem annähernd das gleiche, wie wenn hoher Dampfdruck im Kühlmantel herrscht.
Betrachtet man den Teil der Dampf maschine, der lediglich den im Küblinantel der Verbrennungsmaschine gewonnenen Dampf verarbeitet, als ;@Taschiile für sich, so ergibt sich bei einer solchen Dampfkraftmaschine für 12 atm. Frischdampfdruck, wenn man alle Mittel benutzt;
um den Arbeitsprozess günstig zu gestalten, insbesondere, wenn man den Dampf durch Kesseldampf von 50 atm. über hitzt, ein Wärmeverbrauch. von etwa 23550 WE für 1 PSe/Std. Die Ausnutzung des Dampfes ist in diesem Falle natürlich geringer als bei hochgespanntem Dampf. Aber die Arbeit dieses Dampfteils stellt nur einen Bruchteil der gesamten Dampfarbeit dar. Mit der Ver lustwärme von 750 yVE für 1 PSe/Std. der Verbrennungskraftmaschine kann eine Dampf- arbeit von etwa
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ge leistet werden.
Die von der Kesselanlage zu liefernde Dampfwärme beträgt, wenn die Dampfarbeit so gross ist wie die Verbrennungs arbeit, für 1 PSe/Std. der Dampfarbeit noch
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im Ganzen also für 2 PSe/Std. der Gesamtarbeit: 1800 -f- 1700 =<B>3500</B> WE, d. h. 1750 W E für 1 PSe/Std., was einem thermischen Gesamt wirkungsgrade von 36,1 v. H. entspricht.
Wird die Dampfarbeit doppelt so gross wie die Verbrennungsarbeit, dann stellt sich die Rechnung folgendermassen: Für 1,68 PSe/Std., die von der Kesselanlage hervorzubringen sind, sind
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aufzuwenden, im Ganzen also 1800 + 4200 = 6000 WE für 3 PSe/Std., und für 1 PSe/Std.
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entsprechend einem thermischen Gesamtwirkungsgrad von 31,6 v. H.
Wie also vorstehend gezeigt, kann der durch Ver wendung des niedrigeren Druckes im Kühl mantel des Verbrennungszylinders entstehende Verlust von 1;5%, bezw. 0,7% gegenüber einer Kraftanlage mit 50 atm. Kühluiantel- druck im Hinblick auf die grossen praktischen Vorteile gänzlich vernachlässigt werden.
Durch den niedrigeren Dampfdruck im Kühlmantel ist, wie vorher ausgeführt, eine verhältnismässig niedrige Temperatur der Zy- linderlauffläche zu erreichen. Sie lässt sich noch weiter ermässigen, wenn man auch noch im Verbrennungszylinder den Verbrennungs druck gegenüber dem üblichen von 36 atm. herabsetzt, denn damit geht der Wärmeüber gang an das Kühlmittel herab und es findet ein Abwandern eines Teils der sonst in den Mantel übergehenden Wärme an die Abgase statt, aus welchen sie leichter zu verwerten ist.
Beide Mittel zusammen, die Herabsetzung des Dampfdruckes im Kühlmantel und des Verbrennungsdruckes im Verbrennungszylin der, gestatten die Verwendung der geringsten praktisch zulässigen Zylindercvandstärke und ergeben dadurch die niedrigste Beanspruchung der Zylinderwände durch Wärmespannungen. Rissebildungen werden dadurch mit Sicher heit verhütet.
Weiter hat die Herabsetzung des Ver brennungsdruckes den Vorteil, dass man auch noch mit der Verbrennungstemperatur ohne Schaden im mechanischen Wirkungsgrad herab gehen kann. Das kommt aus folgender Ur sache: Der niedrigere Gestängedruck erfordert kleinere CTestängeabmessrurgen und damit er geben sich geringere Reibungsverluste. Sobald aber die indizierte Arbeit, die von der Zu nahme der Verbrennungstemperatur während des Verbrennungsvorganges abhängt, und die Reibungsarbeit im bestimmten gleichen Ver hältnis stehen; bleibt der mechanische Wir kungsgrad unverändert.
Schon jetzt wird für viele Verbrennungs maschinen, für welche grösste Betriebssicher heit erforderlich ist, z. B. Antriebsmaschinen für Schiffe, die Verbrennungstemperatur bei dem hohen üblichen Verbrennungsdruck herab gesetzt. Der mechanische Wirkungsgrad, der an und für sich schon niedrig ist, wird auf diese Weise noch weiter verringert. Ist da gegen der Verbrennungsdruck niedriger, so kann die Verbrennungstemperatur in gleichem lIa1@e herabgesetzt werden, ohne dass sich der mechanische Wirkungsgrad ändert.
Auch hierdurch wird demnach eine weitere Er- höhung der Betriebssicherheit der Verbren nungsmaschine in doppeltem Sinne erzielt.
Der grosse Anteil der Dampfarbeit im Verhältnis zur Verbrennungsarbeit besitzt den weitem Vorzug, dass man; was besonders für Schiffskraftanlagen wichtig ist, rnit der Dampf- kraftmaschine das Anlassen und Umsteuern der Verbrennungskraftmaschine besorgen kann.
Dieses Verhältnis ist darin besonders günstig, wenn der Verbrennungsdruck herabgesetzt ist, weil hier der Widerstand beim Andrehen wegen des kleineren Gestängedruckes bei gleicher Leistung geringer ist als bei Anlagen mit dem hohen üblichen Verbrennungsdrucke. Die teuren und komplizierten Druckluftbe- hälter und Leitungen nebst Zubehör,
sowie die verwickelten Steuerungseinrichtungen an den Verbrennungszylindern fallen ausserdem fort und auch die durch das plötzliche Ab kühlen der heissen Zylinderwände bei 11lanöv- rieren entstehenden Wärmerisse werden ver mieden.