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Dokumentenidentifikation DE102005054155A1 24.05.2006
Titel Vorrichtung zur Überführung eines Arbeitsmediums aus einem flüssigen in einen dampfförmigen Zustand
Anmelder OTAG GmbH & Co. KG, 59939 Olsberg, DE;
Button Energy Energiesysteme GmbH, Wien, AT
Erfinder Schulte, Franz-Josef, 59939 Olsberg, DE;
Knopf, Richard Matthias, Wien, AT;
Lercher, Hans, Fernitz, AT;
Peritsch, Manfred, Baden, AT
Vertreter Frhr. von Schorlemer, R., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 34117 Kassel
DE-Anmeldedatum 10.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005054155
Offenlegungstag 24.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.05.2006
IPC-Hauptklasse F22B 27/08(2006.01)A, F, I, 20051110, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01K 27/00(2006.01)A, L, I, 20051110, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überführung eines Arbeitsmediums aus einem flüssigen Zustand in einen dampfförmigen Zustand. Die Vorrichtung enthält einen Strömungskanal (1) für das Arbeitsmedium und eine Wärmequelle (2) zur Abgabe von Wärmeenergie in einer vorgewählten Ausbreitungsrichtung (5) und zur Erwärmung des den Strömungskanal (1) durchströmenden Arbeitsmediums. Der Strömungskanal (1) weist wenigstens drei, in der Ausbreitungsrichtung (5) liegende und mit der Wärmeenergie wechselwirkende Abschnitte auf. Ein mit wenigstens einer Eintrittsöffnung (3) für das Arbeitsmedium versehener Vorwärmabschnitt (6) ist vorzugsweise von der Wärmequelle (2) am weitesten entfernt. Ein Überhitzungsabschnitt (8) weist wenigstens eine Austrittsöffnung (4) für das in Dampf umgewandelte Arbeitsmedium auf, und strömungsmäßig zwischen den beiden Abschnitten (6, 8) ist wenigstens ein erster Verdampfungsabschnitt (7) vorgesehen. Erfindungsgemäß liegt der erste Verdampfungsabschnitt (7) der Wärmequelle (2) am nächsten, während der Überhitzungsabschnitt (8) vorzugsweise räumlich zwischen dem Vorwärmabschnitt (6) und dem ersten Verdampfungsabschnitt (7) angeordnet ist (Fig. 1).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE 42 16 278 A1) ist der Vorwärmabschnitt auf der Austrittsseite und der Überhitzungsabschnitt auf der Eintrittsseite der von einer Wärmequelle aus zuströmenden Heißgase angeordnet. Beide Abschnitte sind aus konisch gewickelten Rohren hergestellt. Ein Verdampfungsabschnitt ist als ein beide Abschnitte koaxial umgebender Strömungskanalabschnitt ausgebildet, der entweder aus einer schraubenlinienförmig gewickelten Rohrleitung oder einer zweischalig aufgebauten Wand eines zylindrischen Gehäuses besteht. Vorrichtungen dieser Art dienen zur Erzeugung großer Mengen von Wasserdampf unter hohem Druck und bei im wesentlichen konstanten Betriebsbedingungen, beispielsweise für die Gewinnung von elektrischer Energie.

Demgegenüber betrifft die vorliegende Erfindung Vorrichtungen zur Dampferzeugung für Kleinstkraftwerke, insbesondere in Verbindung mit elektromechanischen Wandlern für Kraft/Wärme-Kopplungen zur anteiligen Erzeugung von elektrischer Energie aus z. B. Ölöfen, Gasthermen, Biomasseheizanlagen (Pellets oder Holzbrennöfen) aufweisenden Wärmequellen im Bereich von Gebäudeheizungen. Bevorzugt werden hierbei elektromechanische Wandler verwendet, die mit einem frei schwingenden Kolben, einem sog. Freikolben, und einer fest mit diesem gekoppelten Ankerspule arbeiten (z. B. DE 102 09 858 B4). Für Anwendungen dieser Art ist die oben beschriebene, bekannte Vorrichtung weniger gut geeignet. Grund hierfür ist einerseits ihr vergleichsweise komplizierter Aufbau. Andererseits werden für die genannten Anwendungen Vorrichtungen benötigt, die über eine lange Lebensdauer hinweg weitgehend wartungsfrei betrieben und leicht an unterschiedliche Verhältnisse, insbesondere unterschiedliche Leistungen angepasst werden können, mit denen die genannten Wärmequellen in Abhängigkeit vom jeweiligen Bedarf betrieben werden.

Kritisch ist in diesem Zusammenhang zum einen der Verdampfungsabschnitt der Vorrichtung, in dem der Übergang vom flüssigen Zustand in den dampfförmigen Zustand des Arbeitsmediums stattfindet. An der Innenwand dieses Verdampfungsabschnitts bilden sich bei Anwendung üblicher Materialien häufig unerwünschte Ablagerungen, die bei Temperaturwechseln abplatzen können und dann den Betrieb des mit dem Dampf betriebenen elektromechanischen Wandlers beeinträchtigen, indem sie z. B. dessen Kolbenringe, Zylinder od. dgl. beschädigen. Zum anderen sollte sichergestellt werden, dass an keiner Stelle des Strömungskanals eine Maximaltemperatur von z. B. 550 °C überschritten wird, um eine Verzunderung des Strömungskanals zu vermeiden und seine Standzeit zu vergrößern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei der Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung die Voraussetzungen dafür zu schaffen, dass sie bei den genannten Anwendungen auch dann wartungsarm und dennoch betriebssicher arbeitet, wenn sie in Abhängigkeit vom Bedarf mit unterschiedlichen Leistungen betrieben wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass derjenige Abschnitt des Strömungskanals, nämlich der Verdampfungsabschnitt, der jeweiligen Wärmequelle am nächsten und damit an einer Stelle liegt, wo die meiste Wärmeenergie benötigt wird bzw. wo von dem den Strömungskanal durchströmenden Arbeitsmedium die meiste Energie aufgenommen wird. Dagegen ist der Überhitzungsbereich, in dem der bereits trockene Dampf lediglich stärker erhitzt wird, weiter von der Wärmequelle entfernt. Er befindet sich daher zwar auf einem etwas kühleren Temperaturniveau, doch reicht dieses aus, um den Dampf auf seine gewünschte Endtemperatur zu bringen. Dadurch kann einerseits erreicht werden, dass der Verdampfungsabschnitt unter keinen Umständen auf eine Temperatur von mehr als z. B. 550 °C erhitzt wird. Andererseits kann die Vorrichtung bei zahlreichen unterschiedlichen Leistungsstufen der Wärmequelle betrieben werden, wie weiter unten näher erläutert ist. Schließlich kann, falls sich dies als erforderlich erweisen sollte, die Ablagerung schädlicher Substanzen im Verdampfungsabschnitt dadurch vermieden werden, dass dieser zumindest auf seiner Innenseite aus einem Material wie z.B. Eisen hergestellt wird, das dagegen weitgehend resitent ist.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Draufsicht auf ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

2 einen schematischen Schnitt längs der Linie II-II der 1;

3 eine schematische Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

4 und 5 je ein Temperatur/Enthalpie- und Enthalpie/-Entropie-Diagramm für den der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegenden Clausius-Rankine-Prozess;

6 den inneren und äußeren Temperaturverlauf längs des Strömungskanals der Vorrichtung nach 1;

7 den inneren und äußeren Temperaturverlauf der Vorrichtung nach 1 in radialer Richtung; und

8 und 9 schematisch zwei weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überführung eines Arbeitsmediums, vorzugsweise Wasser, von einem flüssigen Zustand in einen dampfförmigen Zustand, insbesondere in überhitztem Dampf. Das Arbeitsmedium wird z. B. dem Arbeitsraum eines elektromechanischen Wandlers entnommen, der einen frei schwingenden, von einem dampfförmigen Medium angetriebenen Arbeitskolben aufweist, der mit einer der elektrischen Energieerzeugung dienenden Ankerspule fest verbunden ist. Das entnommene Arbeitsmedium wird unter Druckerhöhung auf z. B. 20 bar bis 50 bar in eine Verdampfungsvorrichtung gepumpt, in der sich ein Brenner befindet, um das zugeführte Arbeitsmedium in Wasserdampf umzuwandeln und dann einem zum Antrieb des Freikolbens bestimmten Zylinder zuzuführen. Anschließend wird der Dampf wieder in den Arbeitsraum des elektromechanischen Wandlers überführt, wo er kondensiert und danach erneut der Verdampfungsvorrichtung zugeführt wird. Anlagen dieser Art sind z. B. aus der Schrift DE 102 09 858 B4 bekannt, die insoweit zur Vermeidung von Wiederholungen durch Referenz auf sie zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdampfen des Arbeitsmediums, nachfolgend kurz als Verdampfungsvorrichtung oder Vorrichtung bezeichnet, ist in 1 und 2 dargestellt. Sie enthält als wesentliche Bestandteile einen Strömungskanal 1 und eine Wärmequelle 2.

Der Strömungskanal 1 enthält wenigstens eine Eintrittsöffnung 3 für das in flüssigem Zustand befindliche Arbeitsmedium und wenigstens eine Austrittsöffnung 4 für das in den dampfförmigen Zustand überführte Arbeitsmedium. Dabei soll das Arbeitsmedium der Eintrittsöffnung 3 in flüssigem Zustand z. B. mit einem Druck von 20 bis 50 bar, einer Strömungsgeschwindigkeit von z. B. 100 ml/min und einer Temperatur von z. B. 100 °C zugeführt und der Austrittsöffnung 4 in dampfförmigem Zustand z. B. mit einem geringfügig geringeren, durch Druckverluste in der Verdampfungsvorrichtung bedingten Druck und einer im wesentlichen unveränderten Strömungsgeschwindigkeit von 100 ml/min, jedoch mit einer Temperatur von z. B. 450 °C entnommen werden.

Die Wärmequelle 2 besteht in der Regel aus einem für die Warmwassererzeugung in Gehäuden üblichen Brenner, der mit Öl, Gas, Biomasse (Pellets, Holz) od. dgl. gespeist wird. Die von der Wärmequelle abgegebene Wärmeenergie in Form von Heißgasen breitet sich in einer vorgewählten, hier gleichförmig radialen Richtung aus, wie im Ausführungsbeispiel durch radiale Pfeile 5 angedeutet ist. Alternativ können als Wärmequelle 2 auch andere Wärmeerzeuger, z. B. Wärmestrahlung abgebende Heizstrahler vorgesehen sein.

Der Strömungskanal 1 besitzt nach 1 in räumlicher Hinsicht eine Spiralform. An seine Eintrittsöffnung 3 schließt sich zunächst ein Vorwärmabschnitt 6 an, der aus drei spiralförmig verlaufenden Windungen besteht und von der Wärmequelle 2 den weitesten Abstand hat. An das radial innen liegende Ende des Vorwärmabschnitts 6 schließen sich bei ebenfalls spiralförmigem Verlauf drei weitere Windungen des Strömungskanals 1 an, wobei nachfolgend die erfindungsgemäß radial am weitesten innen und der Wärmequelle 2 am nächsten liegende Windung als erster Verdampfungsabschnitt 7, die sich daran anschließende Windung als Überhitzungsabschnitt 8 und die radial zwischen dem Überhitzungsabschnitt 8 und dem Vorwärmabschnitt 6 liegende Windung als zweiter Verdampfungsabschnitt 9 bezeichnet wird. Dabei ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung beachtlich, dass die beschriebene Anordnung nur in räumlicher Hinsicht gilt. Im Hinblick auf das den Strömungskanal 1 durchströmende Arbeitsmedium gilt dagegen, dass dieses bei der Eintrittsöffnung 3 zugeführt und nach dem Durchströmen des Vorwärmabschnitts 6 direkt in den ersten Verdampfungsabschnitt 7 eingeleitet wird. Dazu ist das radial innen liegende Ende des Vorwärmabschnitts 6 mittels eines im wesentlichen radial angeordneten, kurzen Überleitungsabschnitts 10 mit dem Anfang des ersten Verdampfungsabschnitts 7 verbunden. Vom ersten Verdampfungsabschnitt 7 aus wird das Arbeitsmedium dann direkt in den zweiten Verdampfungsabschnitt 9 eingeleitet, dessen Anfang über einen weiteren, im wesentlichen radial angeordneten, kurzen Überleitungsabschnitt 11 mit dem Ende des ersten Verdampfungsabschnitts 7 verbunden ist. An das Ende des zweiten Verdampfungsabschnitts 9 schließt sich dann ohne Unterbrechung der Spiralform der Überhitzungsabschnitt 8 an, dessen Ende mit der Austrittsöffnung 4 versehen ist. Die daraus resultierenden Strömungsrichtungen sind jeweils durch Pfeile angedeutet. Außerdem zeigen 1 und 2, dass die Wärmequelle 2 bei Anwendung eines spiralförmig ausgebildeten Strömungskanals 1 zweckmäßig genau in einem vom Strömungskanal 1 frei bleibenden Zentrum und so angeordnet wird, dass die von ihr abgegebene Wärmeenergie gleichförmig von innen nach außen in der hier radialen Ausbreitungsrichtung strömen und dabei nacheinander mit den verschiedenen Abschnitten 7, 8, 9 und 6 des Strömungskanals 1 in Wechselwirkung treten, d. h. mit dem Arbeitsmedium Wärme austauschen kann.

Die Vorrichtung nach 1 ist wahlweise aus Abschnitten eines Hohlformkörpers oder aus entsprechend geformten Rohrabschnitten aufgebaut, die in Strömungsrichtung durchlaufend und insbesondere an den Stoßstellen der Überleitungsabschnitte 10 und 11 durch geeignete Verbindungseinrichtungen und/oder Schweißnähte miteinander verbunden sind. Außerdem sind zumindest im Fall von Rohrabschnitten vorzugsweise mehrere, radial erstreckte Verbindungs- und Abstandseinrichtungen 12 (2) vorhanden. Diese bestehen vorzugsweise aus kammartig ausgebildeten Verbindungselementen mit Stegen 12a, die die einzelnen Rohrabschnitte zwischen sich aufnehmen, deren Verschiebungen in radialer Richtung verhindern und damit eine insgesamt stabile, spiralförmige Konstruktion bilden, wie insbesondere 2 zeigt.

Bei dem aus 3 ersichtlichen Ausführungsbeispiel sind sowohl die räumlichen Anordnungen als auch die strömungsmäßen Verbindungen der einzelnen Abschnitte eines Strömungskanals 14 analog zu denen des Strömungskanals 1. Unterschiedlich ist hier lediglich, dass die verschiedenen Abschnitte aus mäanderförmig verlegten Windungen gebildet und linear hintereinander angeordnet sind. Die vorgewählte Ausbreitungsrichtung von Wärmeenergie, die von einer nicht dargestellten Wärmequelle abgegeben wird, ist hier durch einen Pfeil 15 angedeutet. Die Zahl der zusätzlich eingezeichneten Punkte soll außerdem die Höhe der Temperatur andeuten, die aufgrund der Heißgase, Wärmestrahlung od. dgl. erzeugt wird. Das Arbeitsmedium tritt an einer Eintrittsöffnung 16 in einen von der Wärmequelle am weitesten entfernten Vorwärmabschnitt 17 ein, der durch einen zur Ausbreitungsrichtung der Wärmeenergie parallelen Überleitungsabschnitt 18 mit einem der Wärmequelle am nächsten liegenden, ersten Verdampfungsabschnitt 19 verbunden ist. Von diesem aus gelangt das Arbeitsmedium zunächst durch einen weiteren, zur Ausbreitungsrichtung der Wärmeenergie parallelen Überleitungsabschnitt 20 in einen zweiten Verdampfungsabschnitt 21, dessen Ende mit einem Überhitzungsabschnitt 22 verbunden ist, der wie in 1 räumlich zwischen den beiden Verdampfungsabschnitten 19 und 21 liegt, strömungsmäßig aber den letzten Abschnitt des Strömungskanals 14 bildet und daher mit einer Austrittsöffnung 23 für den Dampf versehen ist.

Im übrigen können die verschiedenen Abschnitte einzeln oder gesamt wie beim Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 aus Abschnitten von Hohlformkörpern oder aus Rohrabschnitten bestehen, die durch kammartige oder sonstwie ausgebildete Verbindungs- und Abstandseinrichtungen zu einer stabilen Konstruktion zusammengesetzt sind. Außerdem unterliegt das Arbeitsmedium im Bereich der Überleitungsabschnitte 18, 20 ähnlichen Temperatursprüngen, wie dies für die Überleitungsabschnitte 10 und 11 in 1 gilt.

Die Wirkungsweise der anhand der 1 und 2 beschriebenen Verdampfungsvorrichtung ist im wesentlichen wie folgt:

Die Wärmequelle 2, die Zuführgeschwindigkeit des Arbeitsmediums und die Längen und Querschnitte der verschiedenen Strömungskanalabschnitte werden so festgelegt, dass das Arbeitsmedium, z. B. Wasser, der Eintrittsöffnung 3 z. B. mit 20 bar, 100 ml/min und 100 °C zugeführt wird, den Vorwärmabschnitt 6 etwa mit einer Temperatur von 160 °C bis 170 °C verlässt und daher mit einer Temperatur in den ersten Verdampfungsabschnitt 7 eintritt, die etwa der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums beim gewählten Druck entspricht. Der Verdampfungsabschnitt 7 ist der größten Wärme (z. B. 1000 °C) der Wärmequelle ausgesetzt. Da jedoch das Arbeitsmedium im Verdampfungsabschnitt 7 in den dampfförmigen Zustand übergeht, nimmt es hier auch die meiste Wärmeenergie auf, so dass seine Temperatur im wesentlichen konstant bleibt und die Temperatur des Verdampfungsabschnitts 7 die gewünschte Höchsttemperatur von z. B. 550 °C nicht überschreitet. Am Ende des Verdampfungsabschnitts 7 sollte sich das Arbeitsmedium vollständig in trockenem Dampf umgewandelt haben.

Aus dem ersten Verdampfungsabschnitt 7 gelangt der Dampf in den zweiten Verdampfungsabschnitt 9, in dem er bei der hier angenommenen Leistung der Wärmequelle 2 langsam weiter erhitzt wird. Da in diesem Bereich die Temperatur in der Umgebung des Strömungskanals 1 aufgrund des relativ großen räumlichen radialen Abstands von der Wärmequelle 2 erheblich reduziert ist und z. B. nur noch ca. 600 °C beträgt, besteht keine Gefahr der Erwärmung des Strömungskanals 1 über die kritische Temperatur von z. B. 550 °C hinaus. Dasselbe gilt für den Überhitzungsabschnitt 8, der der Wärmequelle 2 näher liegt und daher den Dampf allmählich in überhitzten Dampf mit einer Temperatur von 450 °C bis 500 °C umwandelt. Auch in diesem Bereich ist der Wärmeaustausch zwischen dem den Strömungskanal 1 umgebenden Medium und dem Arbeitsmedium ausreichend stark, um eine zu große Erwärmung des Überhitzungsabschnitts 8 zu vermeiden. Der überhitzte Dampf wird schließlich an der Austrittsöffnung 4 abgenommen.

Vorteilhaft ist bei dieser Betriebsweise außerdem, dass zur weiteren Erwärmung des im ersten Verdampfungsabschnitt 7 gebildeten Dampfs sowohl der zweite Verdampfungsabschnitt 9 als auch der Überhitzungsabschnitt 8 verwendet werden können und daher trotz der geringen Leistung der Wärmequelle 2 eine hohe Dampftemperatur erreicht wird.

Die beschriebenen Verhältnisse sind so gewählt, dass sie sich z. B. bei kleinen Leistungen einer Wärmequelle von ca. 8 kW ± 4 kW ergeben. Bei größeren Leistungen der Wärmequelle 2 von z. B. 14,5 kW ± 4 kW besteht daher insbesondere die Gefahr, dass der Verdampfungsabschnitt 7 trotz sonst gleicher Verhältnisse zu stark erwärmt wird und daher durch Verzunderung und andere Effekte beschädigt werden könnte. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Verhältnisse ohne Änderung der Abmessungen des Strömungskanals 1 jetzt so zu wählen, dass das Arbeitsmedium, hier Wasser, im ersten Verdampfungsabschnitt 7 noch nicht verdampft, sondern lediglich bis auf seine Siedetemperatur erhitzt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das Arbeitsmedium an der Eintrittsöffnung 3 mit einem entsprechend größeren und insbesondere um so viel höheren Massenstrom zugeführt wird, dass am Ende des ersten Verdampfungsabschnitts 7 eine Temperatur von ca. 160 °C bis 170 °C erreicht wird. Dadurch wird der erste Verdampfungsabschnitt 7 trotz der erhöhten Leistung der Wärmequelle 2 unter Vermeidung von Zunderbildungen od. dgl. ausreichend kühl gehalten.

Die Verdampfung findet in diesem Fall hauptsächlich im zweiten Verdampfungsabschnitt 9 statt, der bei erhöhter Abgabe von Wärmeenergie entsprechend wärmer ist und zur Überführung des Arbeitsmediums in Dampf ausreicht. Die Bildung von überhitztem Dampf kann dann allein im Überhitzungsabschnitt 8 stattfinden. Wegen der in diesem Fall höheren Temperaturen im Umgebungsbereich des Überhitzungsabschnitts 8 ist dies trotz der Tatsache möglich, dass bei dieser Verfahrensweise für die Überhitzung des Dampfes nur der vergleichsweise kurze Überhitzungsabschnitt 8 zur Verfügung steht.

Dieselbe Verfahrensweise ist möglich, wenn eine Vorrichtung entsprechend 3 vorgesehen wird. Auch hier können die Verhältnisse derart gewählt werden, dass bei geringem Bedarf an Wärmeenergie und entsprechend kleiner Leistung der Wärmequelle der Übergang vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand überwiegend im ersten Verdampfungsabschnitt 19 stattfindet, während bei hohen geforderten Leistungen der Wärmequelle die Änderung des flüssigen Aggregatzustands in den dampfförmigen Aggregatzustand überwiegend im zweiten Verdampfungsabschnitt 21 erfolgt.

Der beschriebene Aufbau der Vorrichtung ermöglicht auch eine einfache Steuerung im Sinne der oben erläuterten Arbeitsweise. Hierzu wird gemäß 1 und 3 am Ende des ersten Verdampfungsabschnitts 7, 19 oder am Anfang des zweiten Verdampfungsabschnitts 9, 21 oder auch dazwischen ein erster Temperatursensor 25 und am Ende des zweiten Verdampfungsabschnitts 9, 19 oder am Anfang des Überhitzungsabschnitts 8, 22 oder dazwischen ein zweiter Temperatursensor 26 angebracht, wie in 1 und 3 schematisch angedeutet ist. Beide Temperatursensoren 25, 26 bestehen z. B. aus in den Strömungskanal 1 bzw. 14 eingelassenen Thermoelementen, messen daher die Temperatur des strömenden Arbeitsmediums und sind in einem Regelkreis derart angeordnet, dass sie in Abhängigkeit von der geforderten Leistung der Wärmequelle 2 wahlweise aktiviert bzw. zugeschaltet werden können. Der Regelkreis dient dem Zweck, den Massenstrom des Arbeitsmediums im Strömungskanal 1 zu regeln, indem beispielsweise eine vorgeschaltete Pumpe entsprechend gesteuert wird. Im übrigen arbeitet der Regelkreis im wesentlichen wie folgt:

Ist die Leistung der Wärmequelle 2 vergleichsweise gering, dann wird der Sensor 25 zugeschaltet. Da in diesem Fall die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums (z. B. 160 °C bis 170 °C) am Ort des Sensors 25 nur geringfügig überschritten sein sollte, wird die Transportgeschwindigkeit des Arbeitsmediums im Strömungskanal 1 so geregelt, dass die vom Sensor 25 gemessene Ist-Temperatur stets einem Sollwert entspricht, der z. B. um einige Grad größer als ca. 160 °C bis 170 °C ist. Nimmt die geforderte Leistung der Wärmequelle 2 bei dieser Betriebsweise geringfügig zu oder ab, dann steigt oder fällt die Temperatur am Ort des Sensors 25 entsprechend, z. B. aufgrund einer zu früh einsetzenden Temperaturerhöhung des Dampfes bzw. einer noch nicht vollständig abgeschlossenen Dampfbildung. Das erhaltene Sensorsignal wird dann dazu genutzt, den Massenstrom des Arbeitsmediums entsprechend zu vergrößern oder zu verkleinern, damit unabhängig von der Leistung der Wärmequelle 2 am Ort des Sensors 25 die Dampfbildung im wesentlichen abgeschlossen ist und eine geringfügige Überhitzung des Dampfs bereits begonnen hat.

Steigt die Wärmeabgabe der Wärmequelle 2 sehr stark an, z. B. auf eine Leistung von 14,5 kW ± 4 kW, dann ist zwar möglicherweise durch eine entsprechende Steigerung des Massenstroms erreichbar, dass die Dampfbildung wie bei der zuerst beschriebenen Verfahrensweise an einer Stelle kurz vor dem Sensor 25 abgeschlossen ist. Dagegen wird kaum vermeidbar sein, dass zumindest die Temperatur des Überhitzungsabschnitts 8 aufgrund der erhöhten Wärmezufuhr stark zunimmt und dieser Abschnitt 8 des Strömungskanals 1 dadurch zerstört wird. Erfindungsgemäß wird daher ab einer bestimmten Leistung der Wärmequelle 2 die Regelvorrichtung auf den zweiten Sensor 26 umgeschaltet. Dadurch wird der Massenstrom des Arbeitsmediums jetzt so stark erhöht, dass die Verdampfung erst am Ende des zweiten Verdampfungsabschnitts 9 bzw. 21 beendet ist. Als Folge dessen findet die Überhitzung des Dampfs allein in dem kurzen Überhitzungsabschnitt 8 bzw. 22 statt, weshalb der Dampf ausreichend Wärme aufnehmen kann und der Überhitzungsabschnitt 8, 22 unterhalb der kritischen Temperatur von z. B. 550 °C bleibt.

Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Regelung besteht darin, dass etwaige Temperaturänderungen am Ort der Sensoren 25, 26 sehr schnell eintreten. Die Regelvorrichtung spricht daher entsprechend schnell auf etwaige Änderungen an.

Alternativ zu den beschriebenen Maßnahmen ist es möglich, die Umschaltungen zwischen den Sensoren 25, 26 von anderen Größen als der Leistung der Wärmequelle 2 abhängig zu machen, beispielsweise vom Dampfdruck in einem nachfolgenden Zylinder eines elektromechanischen Wandlers.

Im übrigen versteht sich, dass durch Anwendung von weiteren, insbesondere zwischen den Sensoren 25, 26 angeordneten Temperatursensoren dafür gesorgt werden kann, dass die eigentliche Verdampfungszone, d. h. die Zone, in welcher der Wechsel des Aggregatzustandes stattfindet, innerhalb des von den beiden Verdampfungsabschnitten 7 und 9 bzw. 19 und 21 eingenommenen Bereichs des Strömungskanals 1 beliebig verschoben werden kann. Diese Maßnahme hat sich als äußerst effektiv erwiesen, um auch bei stark schwankenden Leistungen der Wärmequelle 2 einerseits eine sichere Erzeugung von überhitztem Dampf zu gewährleisten, andererseits aber die Temperaturen insbesondere der der Wärmequelle 2 am nächsten liegenden Abschnitte 7, 8 bzw. 19, 22 des Strömungskanals 1, 14 auf Werte zu begrenzen, die an die Warmfestigkeit der verwendeten Materialien angepasst sind und Beschädigungen dieser Materialien sicher vermeiden, wodurch ein langer, wartungsfreier Betrieb der Verdampfungsvorrichtung ermöglicht ist. Das gilt selbst dann, wenn die von der Wärmequelle 2 erzeugten Temperaturen dort, wo die genannten Strömungskanalabschnitte angeordnet sind, wesentlich größer als die genannten 550 °C sind. Abgesehen davon bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Verdampfungsvorrichtung insbesondere dann, wenn die Wärmeenergie beim Betrieb nur vergleichsweise geringen Schwankungen unterliegt (z. B. 8 kW ± 4 kW), auch ohne die Regelvorrichtung angewendet werden kann, selbst wenn die beschriebene Regelung auch in einem solchen Fall vorteilhaft wäre.

Wie die Verhältnisse im Einzelfall genau zu wählen sind, wird vorzugsweise experimentell ermittelt.

Da Dampf, insbesondere trockener Dampf, eine schlechtere Energieaufnahme als z. B. Wasser hat, kann es zweckmäßig sein, die Wärmeaustauschflächen insbesondere im ersten und zweiten Verdampfungsabschnitt zu vergrößern. Dies kann dadurch erfolgen, dass dem Strömungskanal 1 hier ein größerer Querschnitt als in den übrigen Abschnitten gegeben wird. Das ist in 1 schematisch für die Abschnitte 7 und 9 angedeutet. Weiter hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, zumindest die Innenseiten der Verdampfungsabschnitte 7, 9 bzw. 19, 21 aus normalem Eisen oder einem in der Wirkung ähnlichen Material herzustellen. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass sich auf den Innenwänden der Verdampfungsabschnitte 7, 9, 19, 21 bei der Verdampfung eine Schicht bildet, die auch unter den gegebenen wechselhaften Bedingungen stabil ist und nicht abplatzt. Eine Beschädigung von mit dem Dampf betriebenen Einrichtungen wird dadurch sicher vermieden.

Die übrigen Abschnitte des Strömungskanals 1 können z. B. aus Edelstahl hergestellt sein. Da in diesen Abschnitten keine Verdampfung stattfindet, ist hier die Gefahr der Bildung unerwünschter Ablagerungen oder von Korrosion od. dgl. praktisch nicht vorhanden.

Die Ausführungsbeispiele nach 1 und 2 bzw. 3 können auf zahlreiche Weise abgewandelt werden. Je nach Ausbildung und Leistung der Wärmequelle kann z. B. der zweite Verdampfungskanal 9 bzw. 21 ganz weggelassen werden. Weiter brauchen die verschiedenen Abschnitte der Strömungskanäle 1, 14 je nach Fall nur aus wenigstens je einer spiralförmigen Windung (1) bzw. wenigstens je einer mäanderförmig verlegten Schleife (3) bestehen. Dasselbe gilt für den zweiten Verdampfungsabschnitt 9, 21, falls ein solcher vorhanden ist. Weiter ist es möglich, den Strömungskanal 1, 15 in mehreren, übereinander liegenden Schichten bzw. Ebenen auszubilden, indem jeweils mehrere spiral- oder mäanderförmige Kanalabschnitte übereinander gelegt und strömungsmäßig so miteinander verbunden werden, dass sich die beschriebene räumliche und strömungsmäßige Anordnung ergibt. Die Zahl der verwendeten Schichten kann dabei an die Erfordernisse des Einzelfalls angepasst werden. Außerdem können die verschiedenen Abschnitte z. B. Längen von einigen Metern und Durchmesser von einigen Millimetern aufweisen. Dabei ist stets zu beachten, dass die Größen der Oberflächen, der Wandstärken und der Längen der verschiedenen Abschnitte in Verbindung mit dem Massenstrom des Arbeitsmediums die Wärmeübertragung von der Wärmequelle 2 auf das Arbeitsmedium bestimmen.

In thermodynamischer Hinsicht ist beachtlich, dass der vorzugsweise aus rostfreiem Stahlrohr, insbesondere Chrom/Nickel-Stahl (Austenitbildner) hergestellte Vorwärmabschnitt 6, 17 und ggf. der erste Verdampfungsabschnitt 7, 19 zur isobaren Erwärmung des Arbeitsmediums auf die Siedetemperatur beim jeweils vorhandenen Druck dienen. Die von der Wärmequelle 2 abgegebenen Heißgase od. dgl. werden im Bereich des Vorwärmabschnitts auf ihre niedrigste Temperatur abgekühlt und dann an die Umgebung abgegeben.

4 und 5 zeigen die Zustandsdiagramme des Clausius-Rankine-Prozesses. Die obere Hälfte dieses Kreislaufprozesses spiegelt die Bereiche wider, die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgedeckt werden.

Das Arbeitsmedium mit einer vorzugsweise durch einen Kondensator reduzierten Anfangstemperatur T1 und dem Ruhedruck p0 wird vom Flüssigkondensatpunkt 30 durch die Speisepumpe auf einen Arbeits- bzw. Sättigungsdruck p1 gebracht (Speisezustand 31 des Arbeitsmediums). Die isobare Wärmezufuhr im Vorwärmabschnitt 6, 17 erhöht die Temperatur (bzw. Enthalpie und Entropie) bis zu dem durch das Bezugszeichen 32 angedeuteten Siedepunkt. Die Wärmezufuhr in diesem Abschnitt ist durch die Wechselwirkung zwischen der Umgebung des Strömungskanals 1 und dem Arbeitsmedium bestimmt. Der zeitliche und örtliche Temperaturverlauf wird insbesondere stark durch den zweiten Verdampfungsabschnitt 6 geprägt.

Der Verlauf in den Verdampfungsabschnitten vom Siedepunkt 32 bis zu dem durch das Bezugszeichen 33 angedeuteten Taupunkt ist isobar-isotherm, jedoch zweistufig mit unterschiedlichem Wärmezufuhr-Anteil. Der erste Teil erfolgt im Heißgebiet der Wärmequelle 2. Im Anschluss an den zweiten Verdampfungsabschnitt 9, 21 folgt der Überhitzungsbereich 8, 22 entlang eines Überhitzungsprozesses zwischen dem Taupunkt 33 und einem Punkt 34. Vom Taupunkt bzw. Sättigungspunkt 33 bzw. zum gewählten Vorüberhitzungspunkt verläuft die Wärmezufuhr durch den Verdampfungwärme-Entzugsvorgang bei moderaten Temperaturen des Strömungskanals 1 bzw. 14.

Der typische Verlauf einer stationären Temperaturströmung für das Arbeitsmedium und die äußere Umgebung ist in 6 über die Länge L des Strömungskanals 1, 14 und in 7 über die radiale Ausbreitungsrichtung R der Wärmeenergie dargestellt. Dabei geben Kurven 36, 37 den Temperaturverlauf Ti im Arbeitsmedium und Kurven 38, 39 den Temperaturverlauf Ta in der Umgebung des Strömungskanals 1, 14 an. Die hohe Temperaturdifferenz für den ersten Verdampfungsabschnitt 7, 17 ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung.

Die beschriebene Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise auch bei normalen, z.B. mit Öl, Gas oder Pellets betriebenen Heizungsanlagen verwendet werden, beispielsweise für eine Notlauf- oder Startbetrieb. Die Wärmequelle wird hierbei durch den jeweiligen Brenner gebildet, während der erzeugte Dampf einem Dampf/Flüssigkeit-Wärmeaustauscher zugeführt und zur Erwärmung des Brauchwassers (Warmwassers) benutzt wird. Der besondere Vorteil besteht in diesem Zusammenhang darin, dass die Kombination aus Verdampfungsvorrichtung und Wärmeaustauscher im Vergleich zu bisherigen Anlagen extrem klein gebaut werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Insbesondere können zahlreiche andere Formen für den Strömungskanal 1 vorgesehen werden. Mögliche andere Anordnungen sind Kugelschichtwicklungen der Hohlformkörper bzw. Rohre, mäanderförmig gebogene Windungen in zylindrischer, kubischer Anordnung oder frei geführte Anordnungen des Flüssigkeits- bzw. Dampfströmungskanals durch die verschiedenen Mikroklimazonen. Dabei ist die Grundaufgabe der Zwangsführung durch die Temperaturzonen (warm für die Vorwärmstufe, heiß für die erste Verdampfungsstufe, wärmer für die zweite Verdampfungsstufe und gemäßigt heiß für die Überhitzungsstufe) stets in der beschriebenen Weise zu lösen, wobei eine geringe räumliche Distanz der verschiedenen Schichten und Bereiche anzustreben ist. Allerdings kann dabei die räumliche Anordnung der verschiedenen Abschnitte relativ zueinander auch eine andere sein, insbesondere wenn der Strömungskanal mit zusätzlichen, nicht dargestellten Abschnitten versehen wird. Beispiele für alternative Ausbildungen des Strömungskanals sind in 8 und 9 schematisch dargestellt. Weiterhin sind die obigen Angaben für die Drücke, Temperaturen, Massenströme und Strömungsgeschwindigkeiten natürlich nur als Beispiele aufzufassen, von denen in Einzelfall je nach Bedarf abgewichen werden kann. Weiter ist klar, daß insbesondere beim Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 die Strömungsrichtung für die Wärmeenergie auch umgekehrt, d.h. die Wärmequelle 2 radial außen angeordnet und die Wärmeströmung entgegengesetzt zu den Pfeilen 5 gerichtet werden kann. In diesem Fall würde sowohl die räumliche Anordnung als auch die strömungsmäßige Hintereinanderschaltung in einer im Vergleich zu 1 und 2 entsprechend entgegengesetzten Reihenfolge vorgenommen, d.h. der Vorwärmabschnitt radial innen und der Verdampfungsabschnitt radial außen liegen. Dabei könnten auch mehrere, am radial außen liegenden Umfang der Vorrichtung verteilt angeordnete Wärmequellen vorhanden sein. Außerdem versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale in anderen als den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden können.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Überführung eines Arbeitsmediums aus einem flüssigen Zustand in einen dampfförmigen Zustand, enthaltend einen Strömungskanal (1, 14) für das Arbeitsmedium und eine Wärmequelle (2) zur Abgabe von Wärmeenergie in einer vorgewählten Ausbreitungsrichtung (5, 15) und zur Erwärmung des den Strömungskanal (1, 14) durchströmenden Arbeitsmediums, wobei der Strömungskanal (1, 14) wenigstens drei, in der Ausbreitungsrichtung (5, 15) liegende und mit der Wärmeenergie wechselwirkende Abschnitte aufweist, nämlich einen Vorwärmabschnitt (6, 17), der mit wenigstens einer Eintrittsöffnung (3, 16) für das in flüssigem Zustand befindliche Arbeitsmedium versehen ist, einen Überhitzungsabschnitt (8, 22), der wenigstens eine Austrittsöffnung (4, 23) für das in den dampfförmigen Zustand überführte Arbeitsmedium aufweist, und wenigstens einen ersten, strömungsmäßig zwischen diesen beiden Abschnitten (6, 17 bzw. 8, 22) liegenden Verdampfungsabschnitt (7, 19), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdampfungsabschnitt (7, 19) der Wärmequelle (2) am nächsten liegt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überhitzungsabschnitt (8, 22) räumlich zwischen dem Vorwärmabschnitt (6, 17) und dem ersten Verdampfungsabschnitt (7, 19) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (1, 14) einen zweiten Verdampfungsabschnitt (9, 21) aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdampfungsabschnitt (7, 19) strömungsmäßig zwischen dem ersten Verdampfungsabschnitt (7, 19) und dem Überhitzungsabschnitt (8, 22) und räumlich zwischen dem Überhitzungsabschnitt (8, 22) und dem Vorwärmabschnitt (6, 17) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der von der Wärmequelle (2) abgegebenen Wärmeenergie wahlweise der erste und/oder der zweite Verdampfungsabschnitt (7, 19 bzw. 9, 21) überwiegend zur Verdampfung des in flüssigem Zustand befindlichen Arbeitsmediums einsetzbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Anfangsbereich des zweiten Verdampfungsabschnitts (9, 21) und einem Endbereich des ersten Verdampfungsabschnitts (7, 19) sowie zwischen einem Anfangsbereich des Überhitzungsabschnitts (8, 22) und einem Endbereich des zweiten Verdampfungsabschnitts (9, 21) je ein dem Arbeitsmedium zugeordneter Temperatursensor (25, 26) vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (1) eine Spiralform besitzt, die Wärmequelle (2) in einem Zentrum der Spiralform angeordnet ist und die vorgewählte Ausbreitungsrichtung (5), vom Zentrum ausgehend, radial verläuft.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (1) in mehreren spiralförmigen, übereinander liegenden Schichten bzw. Ebenen ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmabschnitt (6), der erste Verdampfungsabschnitt (7) und der Überhitzungsabschnitt (8) aus wenigstens je einer Windung gebildet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdampfungsabschnitt (9) aus wenigstens einer Windung gebildet ist, die radial zwischen dem Vorwärmabschnitt (6) und dem Überhitzungsabschnitt (8) liegt.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmabschnitt (6) und der erste Verdampfungsabschnitt (7) sowie der erste Verdampfungsabschnitt (7) und der Überhitzungsabschnitt (8) durch im wesentlichen radial verlaufende Überleitungsabschnitte verbunden sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmabschnitt (6) und der erste Verdampfungsabschnitt (7) sowie der erste Verdampfungsabschnitt (7) und der zweite Verdampfungsabschnitt (9) durch im wesentlichen radiale Überleitungsabschnitte (10, 11) verbunden sind.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdampfungsabschnitt (7, 19) zumindest an seiner Innenseite aus einem Material wie z.B. Eisen besteht, das gegenüber Ablagerungen schädlicher Substanzen weitgehend resistent ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdampfungsabschnitt (9, 21) zumindest an seiner Innenseite aus einem Material wie z.B. Eisen besteht, das gegenüber Ablagerungen schädlicher Substanzen weitgehend resistent ist. besteht.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmabschnitt (6, 17) und der Überhitzungsabschnitt (8, 22) aus Edelstahl bestehen.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (1, 14) als Rohr ausgebildet oder aus mehreren Rohrabschnitten zusammengesetzt ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (1) aus wenigstens einem spiralförmig gebogenen Rohr besteht und wenigstens eine kammartige, den Windungen des Rohrs zugeordnete Verbindungs- und Abstandseinrichtung (12) vorgesehen ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal eine Mehrzahl von in der Ausbreitungsrichtung hintereinander liegenden, mit Strömungsabschnitten versehenen Strömungsebenen aufweist, wobei der Vorwärmabschnitt, der erste und der zweite Verdampfungsabschnitt und der Überhitzungsabschnitt jeweils einer oder mehreren Strömungsebenen zugeordnet sind.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsabschnitte in den Strömungsebenen jeweils einen mäanderförmigen Verlauf haben.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Abschnitte des Strömungskanals (1, 14) unterschiedlich große Längen und/oder unterschiedlich große Querschnitte aufweisen.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (2) ein Brenner ist.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle eine Wärmestrahlungsquelle ist.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Teil eines elektromechanischen Wandlers einer Gebäudeheizungsanlage ausgebildet ist.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (25, 26) mit einer Regelschaltung für den Massenstrom des Arbeitsmediums im Strömungskanal (1, 14) verbunden sind.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der von der Wärmequelle (2) abgegebenen Energie der eine oder andere Temperatursensor (25, 26) als Istwertgeber für die Regelschaltung verwendbar ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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