AT501554B1

AT501554B1 - COMBUSTION ENGINE WITH A MEDIUM OR HIGH PRESSURE EXHAUST GAS TURBINE AND METHOD OF OPERATING THEREOF

Info

Publication number: AT501554B1
Application number: AT4122005A
Authority: AT
Original assignee: Delunamagma Ind Gmbh
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2008-09-15
Also published as: AT501554A1

Description

2 AT 501 554 B12 AT 501 554 B1

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Mittel- oder Hochdruck-Abgasturbine (axial oder radial), sowie einem kontinuierlich betriebenen Brenner, welcher erfindungsgemäß Hochdrucktreibstrahl-Dampfinjektor mit Verbrennungsluft geladen wird und dessen Treibdampf überwiegend in einem, der Abgasturbine nachgeschalteten Rekuperator (Gegenstrom-Wärmetauscher) erzeugt wird. Im Gegensatz zu bekannten Anwendungen eines solchen Rekuperators werden zum Abgas im Wärmetauscher nicht nur das Speisewasser zur Treibdampferzeugung gegengeführt, sondern auch der Treibstoff und auch die Verbrennungsluft.The invention relates to an internal combustion engine with a medium or high-pressure exhaust gas turbine (axial or radial), and a continuously operated burner, which is loaded according to the invention high-pressure propulsion steam injector with combustion air and its motive steam predominantly in a, the exhaust gas turbine downstream recuperator (countercurrent heat exchanger) is produced. In contrast to known applications of such a recuperator are compared to the exhaust gas in the heat exchanger not only the feed water for motive steam generation, but also the fuel and the combustion air.

Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Mittel- oder Hochdruck-Abgasturbine, sowie einem kontinuierlich betriebenen Brenner, welcher erfindungsgemäß von einem Hochdrucktreibstrahl-Dampfinjektor mit Verbrennungsluft geladen wird und dessen Treibdampf überwiegend in einem der Abgasturbine nachgeschaltetem Rekuperator erzeugt wird. Im Gegensatz zu bekannten Anwendungen eines solchen Rekuperators werden zum Abgas im Wärmetauscher nicht nur das Speisewasser zur Treibdampferzeugung gegengeführt, sondern auch der Treibstoff und die Verbrennungsluft.Likewise, the invention relates to a method for operating an internal combustion engine having a medium or high-pressure exhaust gas turbine, and a continuously operated burner which is inventively charged by a high-pressure propulsion steam injector with combustion air and the motive steam is generated predominantly in a recuperator downstream of the exhaust turbine. In contrast to known applications of such a recuperator are compared to the exhaust gas in the heat exchanger not only the feed water for motive steam generation, but also the fuel and the combustion air.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs erwähnten Art bereitzustellen und dabei eine Hochdruck-Dampftreibstrahlpumpe zum Verdichten der Verbrennungsluft für eine solche Maschine anwendbar zu machen. Die Ausführungsbeispiele zeigen zwei Varianten der Anwendung des Hochdrucktreibstrahl-Dampfinjektors: In einem ersten Beispiel wird der Brenner alleine durch den Dampfinjektor ohne weitere bewegliche Bauteile geladen, in einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Anwendung des Dampfinjektors mit zusätzlichem Vorschalten einer von der Turbine angetriebenen Verdichterstufe gezeigt. Ähnliche Anwendungen sind aus der Anmeldung DE 560 273 A bekannt, in welcher mittels Dampf die Verbrennungsluft zusätzlich verdichtet wird und in den Brenner folglich ein Gemisch aus Dampf und Verbrennungsluft gelangt.The object of the invention is to provide an internal combustion engine of the type mentioned above, while making a high-pressure steam blasting pump for compressing the combustion air for such a machine applicable. The exemplary embodiments show two variants of the application of the high-pressure propulsion jet injector: In a first example, the burner is charged by the steam injector alone without further movable components, in a second embodiment an application of the steam injector with additional upstream of a compressor stage driven by the turbine is shown. Similar applications are known from the application DE 560 273 A, in which by means of steam, the combustion air is additionally compressed and thus enters the burner, a mixture of steam and combustion air.

Aus der Anmeldung US 2 542 953 A ist bekannt, dass im Injektor nur der verdampfte Treibstoff zum Fördern und Verdichten der Verbrennungsluft verwendet wird. Die Verdampfung des Brennstoffes erfolgt in einem Wärmetauscher zur Brennkammer.It is known from the application US Pat. No. 2,542,953 A that only the evaporated fuel is used in the injector for conveying and compressing the combustion air. The evaporation of the fuel takes place in a heat exchanger to the combustion chamber.

In einer Ausführung gemäß der US 5 983 640 A wird mit Hilfe der Dampfstrahlpumpe Luft angesaugt und nachträglich ebenfalls in einer Turbine expandiert.In an embodiment according to US Pat. No. 5,983,640 A, air is sucked in with the aid of the steam jet pump and subsequently likewise expanded in a turbine.

Die EP 0 462 458 A beschreibt ein Verfahren, wonach in einem Abhitzedampferzeuger einer Gasturbogruppe Hochdruckdampf erzeugt wird, welcher zur Weiterverdichtung der Luft mittels Dampfstrahlpumpe verwendet wird.EP 0 462 458 A describes a method according to which high-pressure steam is generated in a heat-recovery steam generator of a gas turbine group, which is used for further compression of the air by means of a steam jet pump.

Aus der GB 190 927 090 A ist bekannt, dass mittels eines im Abgas-Wärmetauscher erzeugten Dampfes, Brennstoff und Luft von einem Strahlapparat angesaugt wird.From GB 190 927 090 A it is known that by means of a steam generated in the exhaust gas heat exchanger, fuel and air are sucked in by a jet apparatus.

Die US 5 687 560 A1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasturbine und einer vorgeschalteten kontinuierlich betriebenen Brennkammer. Eine Ausführung dieser Verbrennungskraftmaschine hat einen der Abgasturbine nachgeschalteten Wärmetauscher, in dem der Verbrennungsluft und einem Treibstoff/Dampf-Gemisch im Gegenstrom Wärme zugeführt wird. In einer weiteren Ausführung dieser Verbrennungskraftmaschine erfolgt die Verdichtung eines Teiles des Treibstoff/Dampf-Gemisches. Hier handelt es sich um ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme einer Abgasturbine, weil im Abgasstrom ein Wärmetauscher geschaltet ist. Es handelt sich also um eine zweistufige Gasturbine und zwar bestehend aus einem Niederdruck-Vorverdichter und eine mechanisch mit einem Niederdruck-Vorverdichter gekoppelte Abgasturbine. In der ersten Stufe wird die Verbrennungsluft vorgeheizt. Dieser vorgeheizte Treibstoff wird dann in den Verbrennungsteil der nachgeschalteten Abgasturbine eingespeist. Am Ausgang der Abgasturbine ist ein zweiter Wärmetauscher angeordnet, der von dem heißen Abgas 3 AT 501 554 B1 durchströmt wird. In diesem zweiten Wärmetauscher wird die vorher durch den ersten Wärmetauscher abgekühlte Verbrennungsluft hindurchgeleitet und entsprechend aufgeheizt, um so im aufgefrischten Zustand in die Eingangsstufe der Abgasturbine eingespeist zu werden. Ein Speisewasserkreislauf ist bei dem genannten Vorhalt in keiner Weise gezeigt. Nachteil dieser bekannten Verbrennungskraftmaschine mit Abgasturbine ist, dass insgesamt zwei Gegenstromwärmetäuscher benötigt werden, nämlich ein erster Gegenstromwärmetäuscher zum Aufheizen des Treibstoffes und ein zweiter Gegenstromwärmetäuscher zum Aufheizen der Verbrennungsluft. Der Eintrag des Kraftstoffes erfolgt nicht über eine Strahlpumpe, sondern über einen Niederdruck-Kompressor, was ebenfalls nachteilig für den Wirkungsgrad ist.US Pat. No. 5,687,560 A1 shows an internal combustion engine with an exhaust gas turbine and an upstream continuously operated combustion chamber. An embodiment of this internal combustion engine has a heat exchanger connected downstream of the exhaust gas turbine in which heat is supplied to the combustion air and a fuel / vapor mixture in countercurrent. In a further embodiment of this internal combustion engine, the compression of a part of the fuel / steam mixture takes place. This is a method for utilizing the waste heat of an exhaust gas turbine because a heat exchanger is connected in the exhaust gas stream. It is therefore a two-stage gas turbine, consisting of a low-pressure supercharger and a mechanically coupled with a low-pressure supercharger exhaust gas turbine. In the first stage, the combustion air is preheated. This preheated fuel is then fed into the combustion part of the downstream exhaust gas turbine. At the outlet of the exhaust gas turbine, a second heat exchanger is arranged, which is flowed through by the hot exhaust gas 3 AT 501 554 B1. In this second heat exchanger, the previously cooled by the first heat exchanger combustion air is passed and heated accordingly, so as to be fed in the refreshed state in the input stage of the exhaust gas turbine. A feedwater circuit is shown in the aforementioned Vorhalt in any way. Disadvantage of this known internal combustion engine with exhaust gas turbine is that a total of two Gegenstromwärmetäuscher are needed, namely a first Gegenstromwärmetäuscher for heating the fuel and a second Gegenstromwärmetäuscher for heating the combustion air. The entry of the fuel is not via a jet pump, but via a low-pressure compressor, which is also detrimental to the efficiency.

In der US 5 845 481 A1 wird eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasturbine und einer kontinuierlich betriebenen Brennkammer offenbart, bei der die Wärme des Abgases auf einen Teil des Brennstoffes in einem der Abgasturbine nachgeschalteten Wärmetauscher übertragen wird. Es handelt sich also um eine einfache Wärmeführung in einer zweifachen Gasturbine, die aus einer Verdichterstufe und einer Entspannungsstufe besteht, wobei in einem Abwärme-Gegenstromwärmetauscher ein zweiter Gegenstrom-Wärmetauscher angeordnet ist, der Verbrennungsluft aus der Verdichterstufe Wärme überträgt, um diese vorzuheizen und in die Entspannungsstufe einzuspeisen. Auch bei dieser zweistufigen Turbinenanordnung bestehen die gleichen Nachteile, wie sie bei der US 5 687 560 A1 bestehen.No. 5,845,481 A1 discloses an internal combustion engine with an exhaust gas turbine and a continuously operated combustion chamber, in which the heat of the exhaust gas is transferred to a part of the fuel in a heat exchanger arranged downstream of the exhaust gas turbine. So it is a simple heat transfer in a dual gas turbine, which consists of a compressor stage and a relaxation stage, wherein in a waste heat countercurrent heat exchanger, a second countercurrent heat exchanger is arranged, the combustion air from the compressor stage transfers heat to preheat them and in the Feeding relaxation level. Also in this two-stage turbine arrangement, the same disadvantages as they exist in the US 5,687,560 A1.

Die GB 642 118 A beinhaltet eine Verbrennungskraftmaschine mit Abgasturbinen vorgeschalteten kontinuierlich betriebenen Brennkammern und den Abgasturbinen nachgeschalteten Wärmetauschern, in denen die Verbrennungsluft vorgewärmt und Dampf erzeugt wird. Bei dieser Anordnung sind mehrere Verdichterstufen hintereinander angeordnet, um einen relativ hohen Verdichtungsgrad für die in die Brennkammer einzuführende Verbrennungsluft zu erzielen. Im Zwischenraum zwischen der Niederdruckverdichterstufe und der Hochdruckverdichterstufe ist ein erster Wärmetauscher zur Abkühlung der Verbrennungsluft angeordnet. Es handelt sich jedoch nicht um einen Gegenstromwärmetäuscher. Im Bereich zwischen dem Hochdruckkompressor und der Hochdruck-Verbrennungskammer ist ein weiterer Wärmetauscher angeordnet. Es sind ferner Dampfgeneratoren vorgesehen, die Brennerdüsen der beiden Verbrennungskammern arbeiten mit einem Gemisch aus Dampf und Öl. Es fehlt eine Strahlpumpe und ein Gegenstromwärmetäuscher, der geeignet ist, Wärme aus dem Abgas zu entziehen und im Gegenstrom den Treibstoff, die Verbrennungsluft und ein Speisewasser vorzuwärmen.GB 642 118 A includes an internal combustion engine with exhaust gas turbines upstream continuously operated combustion chambers and the exhaust gas turbines downstream heat exchangers in which the combustion air is preheated and steam is generated. In this arrangement, a plurality of compressor stages are arranged one behind the other in order to achieve a relatively high degree of compression for the combustion air to be introduced into the combustion chamber. In the intermediate space between the low-pressure compressor stage and the high-pressure compressor stage, a first heat exchanger for cooling the combustion air is arranged. However, it is not a countercurrent heat exchanger. In the area between the high-pressure compressor and the high-pressure combustion chamber, a further heat exchanger is arranged. There are also provided steam generators, the burner nozzles of the two combustion chambers operate with a mixture of steam and oil. It lacks a jet pump and a Gegenstromwärmeäuscher, which is capable of extracting heat from the exhaust gas and preheating the fuel, the combustion air and a feed water in countercurrent.

Die US 1 874 314 A1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasturbine und einer kontinuierlich betriebenen Brennkammer und zwei Dampfinjektoren zum zusätzlichen Verdichten der Verbrennungsluft, sowie rekuperative Wärmetauscher zur Erzeugung des Dampfes. Die Turbine ist zweistufig ausgelegt, indem die Abgasturbine mechanisch mit einer Vorverdichterstufe gekoppelt ist. In der mechanischen Vorverdichterstufe wird die Verbrennungsluft vorverdichtet und zu einem Teil dem Brenner zugeführt. Vor Eintritt in den Brenner wird die Verbrennungsluft durch zwei nacheinander wirkende Dampfinjektoren zusätzlich verdichtet. Ein anderer Teil der Verbrennungsluft wird dem Abgas nach dem Brenner, aber noch vor dem Eintritt in die Abgasturbine, beigemischt. Diese Form des sekundären Beimischens des Dampfes ist erforderlich, da die Dampfmenge im Brenner die Flamme zum Erlöschen brächte.US 1 874 314 A1 shows an internal combustion engine with an exhaust gas turbine and a continuously operated combustion chamber and two steam injectors for additional compression of the combustion air, as well as recuperative heat exchangers for generating the steam. The turbine is designed in two stages by the exhaust gas turbine is mechanically coupled to a supercharger stage. In the mechanical pre-compressor stage, the combustion air is precompressed and fed to a part of the burner. Before entering the burner, the combustion air is additionally compressed by two successive steam injectors. Another part of the combustion air is added to the exhaust gas after the burner, but before it enters the exhaust gas turbine. This form of secondary admixing of the steam is necessary because the amount of steam in the burner would extinguish the flame.

Der gesamte Dampf im Abgas wird nach dem Passieren der Abgasturbine in einem Wärmetauscher kondensiert und als Flüssigkeit in einem Wärmetauscher zum Abgas nach der Turbine wieder vorverdampft und in einem zweiten Wärmetauscher im Brenner überhitzt. Nachteil dieser bekannten Verbrennungskraftmaschine ist, dass insgesamt drei Wärmetauscher und drei Injektoren benötigt werden. Dies ist zwar ein konstruktiver Mehraufwand, entscheidend ist aber, dass in dieser Verbrennungskraftmaschine die Abwärme im Abgas nur zu einem geringen Teil reku-perativ genutzt werden kann. Es wird dem Abgas, welches aus dem Verbrennungsgas - zusammengesetzt aus verbranntem Treibstoff und „verbrannter Verbrennungsluft“ - sowie dem Dampf besteht, die Wärmekapazität des rückgeführten Speisewassers entgegengeführt. Diese kann in dem Wärmetauscher mit dessen Wärmekapazität aber niemals die Restwärme des 4 AT 501 554 B1The entire vapor in the exhaust gas is condensed after passing through the exhaust gas turbine in a heat exchanger and re-evaporated as liquid in a heat exchanger to the exhaust gas to the turbine and overheated in a second heat exchanger in the burner. Disadvantage of this known internal combustion engine is that a total of three heat exchangers and three injectors are needed. Although this is a constructive extra effort, it is crucial that in this internal combustion engine, the waste heat in the exhaust gas can be used only to a small extent reku-perative. It is the exhaust gas, which consists of the combustion gas - composed of combusted fuel and "burned combustion air" - as well as the steam, the heat capacity of the recycled feed water fed. This can in the heat exchanger with its heat capacity but never the residual heat of 4 AT 501 554 B1

Dampfes und des Abgases aufnehmen.Take up steam and the exhaust gas.

Weiters wird die Verbrennungsluft für die gezeigte Verbrennungskraftmaschine nicht vorerwärmt. Dies wäre in der gezeigten Ausführung grundsätzlich auch nicht möglich, da es das Erwärmen der Verbrennungsluft vor einer mechanischen Verdichterstufe erforderlich macht, was den Nutzen der Wärmerückführung bei Weitem wieder aufheben würde. Die gezeigte Verbrennungskraftmaschine verzichtet auch auf die Wärmerückführung von Abwärme mittels des zufließenden Treibstoffes.Furthermore, the combustion air is not preheated for the internal combustion engine shown. In principle, this would also not be possible in the illustrated embodiment since it requires the heating of the combustion air upstream of a mechanical compressor stage, which would far remove the benefits of heat recovery. The internal combustion engine shown also dispenses with the heat recovery of waste heat by means of the incoming fuel.

Durch die rekuperative Abwärmerückführung über das zufließende Speisewasser und den Treibstoff und die Verbrennungsluft kann eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt werden, welche auch völlig ohne mechanische Vorverdichter, mit nur einem Dampfstrahlinjektor einen ausreichenden Verdichtungsdruck vor dem Brenner erzielt und andererseits die Flamme dabei nicht durch eine Übermenge von Dampf löscht.By the recuperative waste heat recovery on the incoming feed water and the fuel and the combustion air, an internal combustion engine according to the invention can be provided which achieves a sufficient compression pressure in front of the burner completely without mechanical supercharger, with only one Dampfstrahlinjektor and on the other hand, the flame is not an excess of steam extinguished.

Zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine können Dampftreibstrahlpumpen zum Verdichten der Verbrennungsluft nur sehr bedingt eingesetzt werden, da extrem schlechte Wirkungsgrade erzielt werden. Dieser schlechte Wirkungsgrad resultiert zum einen daraus, dass der Hochdruck-Treibdampf bereits in der Treibdüse in den Zustand des Nassdampfes übergeht, zum anderen wird durch die Vermischung mit der Ansaugluft der Dampf in der Injektorkammer fast vollständig verflüssigt, der Wirkungsgrad ηβ« sinkt dermaßen auf bis zu < 5% !To operate a heat engine steam jet pumps for compressing the combustion air can be used only to a limited extent, since extremely poor efficiencies are achieved. This poor efficiency results firstly from the fact that the high-pressure motive steam already in the motive nozzle in the state of wet steam passes, on the other hand, the mixture is almost completely liquefied by the mixing with the intake air of the steam in the injector, the efficiency ηβ «decreases so far up to < 5%!

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren bereitzustellen, welches den Wirkungsgrad der Hochdruck-Dampftreibstrahlpumpe soweit verbessert, dass bei ausreichender Pumpfähigkeit des Dampfes der unvermeidliche Flüssigkeitseintrag des Treibdampfes in die Verbrennungsluft unter einem Maß bleibt, welches zum Löschen der Flamme führt. Folglich wird das Speisewasser im Gegenstromwärmetäuscher bei physikalisch höchstmöglichem Druck erhitzt und danach zusätzlich im Wärmetauscher zum Brenner überhitzt. Mit dem Passieren der Laval-Dampftreibdüse und dem Wandeln des Dampfdrucks in die Überschallgeschwindigkeit des abströmenden Treibdampfes entsteht unvermeidlich Kondenswasser im Dampf. Deswegen wird die angesaugte Verbrennungsluft im Rekuperator weit über die Kondensationstemperatur des Dampfes erwärmt, wodurch bei der anschließenden Vermischung des Nassdampfes mit dieser heißen Luft die Wasseranteile im Dampf wieder verdampfen. Dadurch wird die Pumpfähigkeit des Treibstrahles im entscheidenden Maße verbessert.The object of the invention is to provide a method which improves the efficiency of the high-pressure steam jet pump to such an extent that with sufficient pumpability of the steam, the unavoidable introduction of liquid of the motive steam into the combustion air remains below a level which leads to extinguishment of the flame. Consequently, the feedwater is heated in Gegenstromwärmetäuscher at physically highest possible pressure and then additionally overheated in the heat exchanger to the burner. With the passage of the Laval steam friction nozzle and the conversion of the vapor pressure in the supersonic velocity of the outflowing motive steam inevitably arises condensation in the steam. Therefore, the intake combustion air is heated in the recuperator far above the condensation temperature of the steam, which evaporate again in the subsequent mixing of the wet steam with this hot air, the water in the vapor. As a result, the pumpability of the propulsion jet is significantly improved.

Der Rekuperator besteht für alle ihn durchströmenden Medien aus einem filigranen labyrinthartigen Kanalsystem, durch welches die Medien mit Unterschallgeschwindigkeit strömen. Erst durch das Strömen mit Unterschallgeschwindigkeit können Gase und Flüssigkeiten ohne das Auftreten schadhafter Verdichtungsstöße durch labyrinthartige, raumsparende Tauscherrohre und Kammern geleitet werden.For all media flowing through it, the recuperator consists of a filigree, labyrinthine channel system through which the media flows at subsonic speed. Only by flowing at subsonic speed gases and liquids can be passed through labyrinthine, space-saving exchanger tubes and chambers without the occurrence of defective compression shocks.

Der Rekuperator weist in die Hauptrichtung der Medien eine länglich gestreckte Form auf und ist allseitig nach außen wärmeisoliert. Er weist eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit des für den Rekuperator verwendeten Metalls auf, um nach dem Abschalten der Maschine das Temperaturgefälle von einem Ende des Täuschers zum anderen allmählich zu egalisieren. Dieses Egalisieren der Temperatur führt zu einer gleichmäßig hohen Mischtemperatur des gesamten Wärmetauschers. Dies hat wiederum zur Folge, dass Ruß- und Brennstoffablagerungen an den (im Betrieb) kalten Stellen des abgasseitigen Wärmetauschers nachverbrannt werden. .The recuperator has in the main direction of the media on an elongated elongated shape and is thermally insulated on all sides to the outside. It has sufficient thermal conductivity of the metal used for the recuperator to gradually equalize the temperature gradient from one end of the Täuschers to the other after switching off the machine. This leveling of the temperature leads to a uniformly high mixing temperature of the entire heat exchanger. This in turn has the consequence that soot and fuel deposits on the (in operation) cold spots of the exhaust gas side heat exchanger are post-combusted. ,

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert. In dieser zeigt:Further advantages and details of the invention are explained below with reference to an embodiment of the invention shown in the drawings. In this shows:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Maschine mit nur Injektorverdichtung (ohne vorgeschaltete Verdichterstufe)1 is a schematic view of the machine with only injector compression (without upstream compressor stage)

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Maschine mit zusätzlichen von der Turbine angetriebe- 5 AT 501 554 B1 nen Vorverdichterstufe für die Verbrennungsluft.Fig. 2 is a schematic view of the machine with additional driven by the turbine NEN Vorverdichterstufe for the combustion air.

Bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine ist einer Hochdruck-Dampfstrahlpumpe (31) mit ihrer Laval-Treibdampfdüse (1) und der Mischkammer (10), sowie dem Injektordiffusor (12) nach der nachfolgenden Treibstoffeinblasung (13) ein adiabater Brenner (15) nachgeschaltet. Das Abgas aus diesem kontinuierlich betriebenen Druckbrenner (15) strömt über die vorzugsweise mehrstufige Abgasturbine (16) (wahlweise axial oder radial) mit vorwiegend Unterschallgeschwindigkeit und unter stetiger Expansion des Druckgases in den Rekuperator (4). In der Abgasturbine (16) wird der Druck des Gases vollständig entspannt und die Rotation einer Welle (17) gewandelt. Das noch sehr heiße Abgas aus dieser Turbine (16) strömt anschließend im Gegenstrom zu dem zufließenden Treibstoff (25), zu dem Speisewasser (26) und zu der Verbrennungsluft (24) mit Unterschallgeschwindigkeit durch den als Gegenstromwärmetäuscher ausgebildeten Rekuperator (4). Das Abgas verliert durch die Wärmeabgabe an die entgegen fließenden Medien (bei entsprechender Qualität und ausreichender Tauschfläche) seine gesamte Restwärme bis auf den nicht wieder zu gewinnenden Wärmeanteil aus der Kondensationswärme des Dampfes. Da der Dampfdruck des abströmenden Gemisches etwa bei atmosphärischem Druck liegt, der des zuströmenden Speisewassers Drücke mit ca. 500 bar aufweist, kann das zulaufende Wasser die Kondensationswärme nicht aufnehmen (die Zulauf-Verdampfungstemperatur liegt wesentlich über der Abfließ-Kondensationstemperatur).In the case of the heat engine according to the invention, an adiabatic burner (15) is connected downstream of a high-pressure steam jet pump (31) with its Laval motive steam nozzle (1) and the mixing chamber (10) and the injector diffuser (12) after the subsequent injection of fuel (13). The exhaust gas from this continuously operated pressure burner (15) flows via the preferably multi-stage exhaust gas turbine (16) (optionally axially or radially) with predominantly subsonic speed and with constant expansion of the compressed gas in the recuperator (4). In the exhaust gas turbine (16), the pressure of the gas is completely relaxed and the rotation of a shaft (17) is converted. The still very hot exhaust gas from this turbine (16) then flows in countercurrent to the incoming fuel (25), to the feed water (26) and to the combustion air (24) at subsonic speed through the designed as a countercurrent heat exchanger recuperator (4). The exhaust gas loses its heat loss to the counter-flowing media (with the appropriate quality and sufficient exchange area) its entire residual heat to the not recoverable heat content from the heat of condensation of the vapor. Since the vapor pressure of the outflowing mixture is approximately at atmospheric pressure, which has the incoming feed water pressures of about 500 bar, the incoming water can not absorb the heat of condensation (the inlet evaporation temperature is substantially above the effluent condensation temperature).

Die Verbrennungsluft (24) strömt durch den Wärmetauscher (4) und die Verbrennungsluftleitung (21) zum Injektor der Hochdruck-Dampfstrahlpumpe (31). Gleichzeitig wird aus dem Speisewassertank (23) durch die Speisewasserpumpe (22) Wasser gefördert und mit physikalisch höchstmöglichem Druck in den dampfseitigen Wärmetauscherteil (26) gedrückt. Das Speisewasser erhitzt sich im Dampftauscher (26). Danach wird es zum Dampfüberhitzer (14) am Brenner (15) geführt. Über den Dampfüberhitzer (14) wird Wärme zugeführt, sodass überhitzter Heißdampf entsteht. Der überhitzte Heißdampf mit physikalisch höchstmöglichem Druck strömt sodann über die Hochdruck-Dampfleitung (2) weiter zur Laval-Dampftreibdüse (1), wo er mit Überschallgeschwindigkeit in den Injektor eingeblasen wird.The combustion air (24) flows through the heat exchanger (4) and the combustion air duct (21) to the injector of the high-pressure steam jet pump (31). At the same time, water is conveyed from the feedwater tank (23) through the feedwater pump (22) and pressed into the steam-side heat exchanger section (26) with the highest physical pressure possible. The feed water heats up in the steam exchanger (26). Thereafter, it is led to the steam superheater (14) on the burner (15). Heat is supplied via the steam superheater (14), resulting in superheated superheated steam. The superheated hot steam with physically highest possible pressure then flows via the high-pressure steam line (2) on to the Laval steam friction nozzle (1), where it is blown at supersonic velocity into the injector.

Am Auslass der Dampf-Treibdüse (1) entsteht ein Unterdrück mit einigen 1/10 bar unter atmosphärischem Druck. Dieser Unterdrück befördert die Verbrennungsluft in den Injektor (31). In einem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird gezeigt, dass es möglich ist durch einen von der Turbine (16) angetriebenen Verdichter (28) den Druck der zuströmenden Verbrennungsluft über atmosphärischen Druck zu erhöhen.At the outlet of the steam-jet nozzle (1) creates a suppression with some 1/10 bar below atmospheric pressure. This negative pressure conveys the combustion air into the injector (31). In a second embodiment of this invention, it is shown that it is possible by means of a compressor (28) driven by the turbine (16) to increase the pressure of the incoming combustion air above atmospheric pressure.

Im Injektor (9-12) kommt es zu einer intensiven Durchmischung des überschallschnellen Dampfes und der vorgewärmten Verbrennungsluft. Dabei stoßen Dampfmoleküle mit Luftmolekülen zusammen. Der hohe Bewegungsimpuls der Dampfmoleküle überträgt sich im überwiegend elastischen Stoß auf die Luftmoleküle. Die Volumenanteile von Verbrennungsluft zu Treibdampf können durch die maximierte Temperatur des Treibdampfes und den maximierten Druck des Treibdampfes ein Vielfaches betragen. Bei ausreichender Länge des Injektor-Mischrohres (10) nehmen beide Stoffe allmählich vorteilhaft eine homogene Geschwindigkeit und homogenisierte Mischtemperatur an.In the injector (9-12) there is an intense mixing of supersonic steam and preheated combustion air. Steam molecules collide with air molecules. The high momentum of the vapor molecules is transferred to the air molecules in a mostly elastic shock. The volume fractions of combustion air to motive steam can be many times due to the maximized temperature of the motive steam and the maximized pressure of the motive steam. With sufficient length of the injector mixing tube (10), both substances gradually take advantage of a homogeneous speed and homogenized mixing temperature.

Die Verbrennungsluft (24) wird im Rekuperator (4) soweit erwärmt, dass deren Temperatur weit über der Kondensationstemperatur des Dampfes liegt. Wassertröpfchen, welche im Treibdampf durch dessen Arbeitsleistung in der Dampftreibdüse (1) entstehen, werden durch die intensive Vermischung im Injektor (9-12) wieder verdampft. Dadurch steigert sich der Wirkungsgrad der Dampftreibstrahlpumpe (31) in jenem entscheidenden Maß, der sie für diesen Einsatzzweck erst anwendbar macht. Würde eine Dampftreibstrahlpumpe (31) die Verbrennungsluft mit normaler Umgebungstemperatur zugeführt, würden nicht nur die ohnehin schon vorhandenen Wassertröpfchen als Nassdampf erhalten bleiben, sondern dem Treibdampf würde von der Luft soviel Wärme entzogen, dass dieser fast vollständig kondensieren würde. Es ist also von unabdingbarer Wichtigkeit für das erfindungsgemäße Funktionieren der Dampftreibstrahlpumpe (31),The combustion air (24) is heated in the recuperator (4) so far that their temperature is far above the condensation temperature of the vapor. Water droplets, which are produced in the motive steam by its work in the steam friction nozzle (1), are evaporated again by the intensive mixing in the injector (9-12). As a result, the efficiency of the steam jet pump (31) increases in that decisive degree, which makes them applicable for this purpose only. If a steam jet pump (31) supplied the combustion air with a normal ambient temperature, not only would the already existing water droplets be preserved as wet steam, but the motive steam would be deprived of so much heat from the air that it would condense almost completely. It is therefore of vital importance for the inventive functioning of the steam blasting pump (31),

Claims

6 AT 501 554 B1 maximum superheated steam at the highest possible pressure and to heat the combustion air far above the steam condensation temperature. The fuel supplied to the burner (15) is also heated by the recuperative heat from the exhaust gas in the countercurrent heat exchanger (25) provided for this purpose. Temperatures are reached which can exceed the autoignition temperature of the fuels and many liquid fuels are also already evaporated in the heat exchanger (25). In order for the burner (15) to perform an adiabatic combustion, it must also be coated to the outside with a high-temperature insulation. If the burner (15) is not yet at the operating temperature at which fuel is self-igniting, it is ignited with an electric spark plug (30). This spark plug (30) must therefore be active only in the starting phase of the machine. The burner (15) is conical in shape as is customary with such devices, it constitutes a diffuser. The mixture of steam, preheated combustion air and the fuel just injected (13), which flows under pressure into the burner, becomes in itself Slowly expanding burner (15) slowed down to approx. 25 m / s. 1. internal combustion engine with a medium or high pressure exhaust gas turbine (16) and an upstream continuously operated subsonic burner (15), which relates the compressed combustion air from a jet pump (31), and one, the exhaust gas turbine (16) connected downstream as a heat exchanger ( 32) formed recuperator (4), in which the machine inflowing media (24, 25, 26) are heated and vice versa, the exhaust gas residual heat is withdrawn, characterized in that in the heat exchanger (32) at subsonic speed the exhaust heat is withdrawn, and in Countercurrent the fuel (25) and the combustion air (24) and the feed water (26), this heat is supplied.

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the wet steam occurring in the injector chamber in supersonic Dampfreibstrahldampf by the mixing of the motive steam with the in the recuperator (4) far above the condensation temperature of the steam heated combustion air (24) is evaporated again.

3. internal combustion engine according to claim 1 and 2, characterized in that the recuperator (4) generated steam in the superheater (14) on the burner (15) is overheated.

4. Internal combustion engine according to claim 1 to 3, characterized in that in the exhaust gas turbine (16) downstream Gegenstromwärmetäuscher (32) all four flowing media flow at subsonic speed and consequently the flow channels can be designed to save space and labyrinthine.

5. Internal combustion engine according to claim 1 to 3, characterized in that the motive steam has a vapor pressure of at least approximately 500 bar and the motive steam is heated in the steam superheater to at least approximately 500 ° C.

6. internal combustion engine according to claim 1 to 5, characterized in that the motive steam with multiple sound velocity from the Laval-Treibdüse (1) emerges.

7. Internal combustion engine according to claim 1 to 6, characterized in that in the mixing tube (10) of the injector initially accelerated to supersonic velocity mixture of motive steam and combustion air, before entering the burner (15) by 7 AT 501 554 B1 compression shocks and in a , the mixing tube (10) downstream diffuser (12) is delayed far below the speed of sound.

8. A method for operating an internal combustion engine with a medium-pressure or 5 high-pressure exhaust gas turbine (16) and an upstream continuously operated subsonic burner (15), which relates the compressed combustion air from a jet pump (31) and one, the exhaust gas turbine (16) connected downstream Recuperator (4), in which the machine inflowing media are heated and vice versa, the exhaust gas residual heat is withdrawn, characterized in that the motive steam for the steam injector has a io physical maximum pressure and is also overheated. For this purpose 1 sheet of drawings 15 20 25 30 35 40 45 50 55