AT11930U1 - Vorrichtung zur stromerzeugung aus komprimierten heissgasen - Google Patents

Vorrichtung zur stromerzeugung aus komprimierten heissgasen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Anlage zur Erzeugung von Strom. Hierbei wird durch die Verbrennung von vorwiegend Festbrennstoffen entstehende Energie mittels Wärmetauscher in Heißluft und/oder Dampf umgewandelt und über Arbeitsmaschinen wie z.B. Turbinen, Kolbenmotoren, Flügelzellenrotationsmotoren, Drehkolbenmotoren, Lamellenmotoren und dgl. zur Stromerzeugung verwendet. Die anfallenden Restenergien werden zur Wirkungsgraderhöhung dem Feuerungsprozess zugeführt. Der Einsatzbereich ist vorwiegend für Wärmeerzeugungs- bzw. Stromerzeugungsanlagen in kleineren Leistungsbereichen vorgesehen.

Description

österreichisches Patentamt AT11 930U1 2011-07-15
Beschreibung
VORRICHTUNG ZUR STROMERZEUGUNG AUS KOMPRIMIERTEN HEIßGASEN
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Strom mittels Kraft- oder Antriebsmaschinen wie z.B. Turbinen, Kolbenmotoren Flügelzellenrotationsmotoren, Drehkolbenmotoren, Lamellenmotoren und dgl.. Hierbei wird Umgebungsluft über einen Wärmetauscher erhitzt, welcher die zugeführte Energie aus Heiß- und Rauchgasen, Abwärme aus Produktionsverfahren, Solarenergie und dgl. an die komprimierte Luft abgibt. Dadurch expandiert der komprimierte Luftstrom, so dass ein höherer Massenstrom entsteht oder der Druck des Luftstromes erhöht wird. In diesen komprimierten Luftstrom wird unter Druck stehendes Heißwasser eingesprüht, welches sich physikalisch bedingt sofort in Dampf umwandelt und mit steigender Temperatur mit steigendem Faktor expandiert. Das Heißwasser wird ebenfalls über einen Wärmetauscher erzeugt, welcher aus vorgenannten Energiequellen gespeist wird und deren enthaltene Energie an das Wasser abgibt. Durch das Einsprühen des Heißwassers entsteht Dampf mit sehr hoher Expansion. Das somit entstandene Heißluft-/Dampfgemisch steht nun zum Antrieb von Kraft- und Arbeitsmaschinen zur Verfügung. In Kombination mit einem Generator erfolgt die Stromerzeugung. Die im Heißluft-/Dampfgemisch nach Durchlaufen von Turbinen, Kolbenmotoren Flügelzellenrotationsmotoren, Drehkolbenmotoren, Lamellenmotoren und dgl. noch enthaltene Restenergie bzw. Wärme kann direkt als Frischluft dem Verbrennungsprozess zugeführt werden, weil der Wasseranteil sehr gering ist. Dadurch wird ein maximaler Wirkungsgrad erreicht.
STAND DER TECHNIK
[0002] In Kraftwerken wird mittels Energieträger (fossile Energie, nachwachsende Rohstoffe, atomare Energie, Erdwärme etc.) aus Wasser Heißdampf erzeugt, der in der Regel über Turbinentechnik, Dampfmotoren und dgl. mechanische Energie erzeugt, die einen Generator zur Stromerzeugung antreiben. Der Einsatz von Kolbenmotoren bei direkt mit gas- oder ölbefeuerten Anlagen ist in nahezu allen Leistungsgrößen Stand der Technik. Die spezifischen Kosten vorgenannter Techniken erlauben in aller Regel nur eine Wirtschaftlichkeit in Leistungsbereichen von mehreren MW,hermisch· Lediglich bei Öl und Gas ist der direkte Einsatz in Verbrennungsmotoren, vergleichbar mit Otto- oder Dieselmotoren, auch in kleineren Leistungsbereichen wirtschaftlich möglich. Des Weiteren bekannt sind Heißluftmotoren, insbesondere die Technik des Sterling-Motors und ORC-Anlagen, die ebenfalls wegen ihrer hohen spezifischen Kosten, teilweise auch wegen fehlender Marktreife, noch keinen Marktzugang in nennenswerter Größe gefunden haben. Der Stand der Technik ist auch, dem Rauchgas oder die verbleibende Restwärme aus der Stromerzeugung zur Luftvorwärmung dem Verbrennungsprozess zuzuführen. Hierbei kann jedoch physikalisch bedingt maximal ein Anteil von < 50% als Luftvorwärmung genützt werden.
ZU GRUNDE LIEGENDES PROBLEM
[0003] Die Großstruktur deutscher Energieversorgung, insbesondere im Bereich Wärme und Strom, ist so aufgebaut, dass einerseits Strom produziert wird ohne in nennenswertem Umfang die physikalisch bedingte Restwärme zu nutzen und andererseits die Möglichkeit der Stromproduktion bei Wärmeerzeugungsanlagen meistens ungenutzt bleibt. Ursächlich hierfür sind die Mammutstrukturen der Stromerzeugungsanlagen, die eine Verwendung der Restwärme, die bis zu 75% der ursprünglich eingesetzten Energie betragen kann, in unmittelbarer Nähe z.B. als Fernwärme schon aus technischen Gründen ausschließt. Die bei der Stromerzeugung physikalisch bedingte anfallende Restwärme wird daher über Kondensatoren und Kühltürme direkt ungenutzt an die Umwelt abgegeben.
[0004] Diese Strukturen sind nicht zukunftsfähig, weil einerseits die hierbei vergeudeten Ressourcen endlich sind, der dabei entstehende C02-Ausstoß in Bezug auf die Klimaveränderung zukünftig unterbunden werden muss und andererseits aus Gründen der Wirtschaftlichkeit diese österreichisches Patentamt AT11 930U1 2011-07-15
Art der Energieerzeugung an die Grenzen des Machbaren stoßen wird. Reine Wärmeerzeugungsanlagen, die z.B. mit Öl, Gas oder Feststoffen wie z.B. Kohle oder Biomasse befeuert werden, verbrennen im Temperaturbereich von 800 bis 1200 Grad C, um in aller Regel Heißwasser von unter 100 Grad C zu produzieren. Das Potenzial der Stromerzeugung bleibt hier vor allem bei Anlagen im kleineren Leistungsbereich völlig ungenutzt.
[0005] In den letzten Jahren werden vermehrt Kleinerzeugungsanlagen zur Strom- und Wärmegewinnung installiert, z.B. in Form von mit Gas oder Ol befeuerten Blockheizkraftwerken, und auf dem Gebiet der regenerativen Energien werden Biogasanlagen oder Biomassen-Heizkraftwerke eingesetzt, die neben der Stromproduktion auch die Wärme sinnvoll verwenden. Der Gesetzgeber unterstützt diese Entwicklung, insbesondere durch das KWK-Gesetz (Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz). Allerdings sind Anlagen dieser Art wegen der hohen spezifischen Kosten, also der Investitionskosten pro KW, erst ab einem höheren Leistungsbereich rentierlich. Dieser liegt in aller Regel bei mehreren Megawatt thermische Leistung. Dies gilt im Besonderen beim Einsatz von Festbrennstoffen, die meist bei der Verstromung einen aufwändigen Wasser-Dampf-Kreislauf voraussetzen.
[0006] Der Markt bietet derzeit bei Kleinanlagen, insbesondere bei Anlagen mit den jeweils regionalen höchsten Fördersätzen für regenerative Ernergie, gerade bei Biomasse lediglich die Technik des Sterling-Motors als Heißluftmotor an, der wegen seiner hohen spezifischen Kosten bislang noch keinen breiten Marktzugang gefunden hat. Gleiches gilt für ORC-(Organic-Rankine-Cycle-) Anlagen, die ebenfalls mit sehr hohen Investitionskosten verbunden sind und sich deshalb auf dem Markt für Kleinanlagen nicht durchsetzen konnten.
[0007] Bei kleinen Anlagen (<1 MWeL) ist der Betrieb einer Dampfturbine herkömmlicher Art unwirtschaftlich, weil die Investitionskosten für Turbine, Wasseraufbereitungsanlage und die Verbrauchskosten beim derzeitigen Stand der Technik keine Wirtschaftlichkeit erzielen lassen.
PROBLEMLÖSUNG / VORTEILE
[0008] Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Anlage zu schaffen, welche die bei der Verbrennung von Festbrennstoffen entstehende Wärme, insbesondere von Biomasse oder Restwärme aus Produktionsverfahren oder Wärme solaren Ursprungs, zur Erzeugung von Strom geeignet ist.
[0009] Die Investitions- und Betriebskosten sollen dabei so gering gehalten werden, dass eine Verstromung auch im niedrigen Leistungsbereich wirtschaftlich gestaltet werden kann. Die hohen Kosten bekannter Wasser-Dampf-Kreisläufe sollen hierbei weitgehend vermieden werden. Als Antriebsmedium soll Luft verwendet und lediglich eine geringe enthärtete Wassermenge zur Wirkungsgraderhöhung eingesetzt werden. Die bei der Stromerzeugung physikalisch bedingt anfallende Restwärme soll im Systemkreislauf verbleiben und in Form heißer Frischluft erneut der Feuerung zugeführt werden, um so den Brennstoffbedarf zu reduzieren, ein sinnloses Abgeben der Restwärme an die Umwelt zu vermeiden und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen. Das Verwenden von bereits am Markt vorhandenen Techniken aus anderen Bereichen soll die spezifischen Kosten minimieren.
[0010] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass Umgebungsluft komprimiert und über einen Wärmetauscher (Luft/Luft bzw. Rauchgas/Luft bzw. Solarenergie/Luft) erhitzt wird. Der Wärmetauscher wird vorwiegend mit Rauchgasen, Produktionswärme, Wärme aus Solarenergie gespeist, dessen Energie an die komprimierte Luft abgegeben wird und diese somit physikalisch bedingt expandiert, so dass ein höherer Massenstrom zur energetischen Nutzung zur Verfügung steht.
[0011] Die Rauchgase werden im Zustand ihrer höchsten Temperatur unmittelbar nach der Verbrennung zuerst über Wärmetauscher bekannter Techniken geleitet, um sowohl die komprimierte Luft als auch Wasser zur Erzeugung des Hochdruckdampfes zu erhitzen.
[0012] Der Wärmetauscher erhöht die Temperatur der bereits komprimierten Luft auf mindestens 100° C. In dieser bereits komprimierte Luft und auf mindestens 100° C erhitzte Luft wird 2/9 österreichisches Patentamt AT11 930U1 2011-07-15 nun zur Wirkungsgraderhöhung Heißwasser mit ebenfalls mindestens 100° C eingesprüht. Das Heißwasser wandelt sich zu Dampf und erhöht den Druck und/oder den Massen ström des nunmehr entstehenden Heißluft-/Dampfgemisches.
[0013] Wasser ist mittels Wärmetauscher leichter zu erhitzen als Luft und ist in der Lage, pro Volumeneinheit mehr Energie aufzunehmen. Außerdem ist der Expansionsdruck durch die Aggregatänderung Wasser/Dampf entschieden höher als bei Luft. Wird also eine geringe Menge Wasser hoch erhitzt, z.B. in Bereichen um 500° C, entsteht ein sehr hoher Expansionsdruck. Wird hoch erhitzter Wasserdampf in die komprimierte Luft eingesprüht, expandiert die Luft zusätzlich. Diese Synergieeffekte werden bei dem nunmehr entstehenden Heißluft-/Dampfgemisch genutzt und auf eine Vorrichtung bekannter Art, also Kraft- und Antriebsmaschinen, geführt und in mechanische Energie umgewandelt.
[0014] Diese Energie treibt vorwiegend einen Generator an und erzeugt somit Strom. Je höher die Temperatur der Luft und je höher die Temperatur des eingesprühten Heißwassers ist, umso höher sind Leistung und Wirkungsgrad. Das Einsprühen von unter Druck stehendem Heißwasser bzw. Dampf in den Heißluftstrom erfolgt zweckmäßig bei Turbinen in einer Vorkammer mittels geeigneter Ventile und Düsen. Das Einsprühen sollte aber erst nach Erreichen eines wählbaren Druckes oder einer wählbaren Temperatur beginnen. Hierdurch wird eine Vermischung von Wasserdampf und Heißluft bewirkt und eine Vergleichmäßigung des somit entstandenen Heißluft-/Dampfgemisches erreicht, welches über Kanäle, ggf. über Düsen, zur mechanischen Umsetzung zur Verfügung steht.
[0015] Der Einblasdruck der Frischluft vor Wärmetauscher und der Zuführungsdruck des Frischwassers vor Wärmetauscher muss jeweils höher sein als der Druck im entstehenden Luftstrom nach Wärmetauscher, um eine Fließrichtungsumkehr zu vermeiden.
[0016] Bei Kolbenmotoren, Flügelzellenrotationsmotoren, Lamellenmotoren, Drehkolbenmotoren und dgl. sollte das Einspritzen des Heißdampfes, getrennt von der Heißluft, unmittelbar in den Explosionsraum des Motors, vorgenommen werden. Hierbei ist es zweckmäßig, vergleichbar mit der Technik bei Verbrennungsmotoren, die bereits komprimierte Luft im Kolbenraum nochmals zu verdichten und in diese nochmals verdichtete Heißluft das unter hohem Druck stehende Heißwasser, welches sofort zu Dampf expandiert, einzuspritzen. Somit wird die höchste Kompression erreicht. Diese Art der getrennten Heißluft-/Heißwassereinsprühung in die Antriebsmaschine ist bei allen Kolben- und Drehkolbenmotoren anwendbar. Bei Turbinen sollte das Einspritzen des Heißwassers zur Wirkungsgraderhöhung ebenfalls getrennt erfolgen. Der Einspritzpunkt des Heißwassers sollte unmittelbar vor der Turbine erfolgen. Das zu Dampf expandierende Heißwasser mit seinem hohem Druck beaufschlagt die ersten Flügel der Turbine, bis sich der hohe Dampfdruck auf das Niveau der einzublasenden Heißluft abbaut. Das dann entstandene Heißluft-/Dampfgemisch verrichtet in den weiterfolgenden Flügelzellen mechanische Arbeit. Die anfallende Restwärme wird dann ebenfalls von der Luft übernommen und somit die Restenergie der Verbrennung zugeführt. Der nach der Turbine anfallende entspannte aber immer noch relativ heiße Heißluft-/Dampfgemisch kann auch direkt für Heizzwecke oder als Prozesswärme verwendet werden.
[0017] Um entstehende Reibungen zu minimieren, ist insbesondere bei Kolbenmotoren die Beigabe von geringen Mengen Öl, z.B. in den Luftstrom aber auch als Emulsion in die Wasserzuführung, vorgesehen.
[0018] Das nach Turbine, Kolbenmotor, Flügelzellenrotationsmotor, Lamellenmotor und dgl. entspannte Wasserdampf-/Heißluftgemisch wird entweder über einen Wärmetauscher geführt zur Erzeugung von Warmwasser, Heizenergie, Heißluft oder kann direkt als Produktionswärme - z.B. zum Bedampfen von zu erwärmenden Stoffen - dienen. Das Heißluft-/Dampfgemisch kann der Verbrennungsanlage ebenso als Frischluft zugeführt werden, da der Wassergehalt bei einem Heißluft-/Dampfgemisch im Vergleich zu reinem Dampf relativ niedrig ist. Wird über bekannte Techniken wie z.B. Zyklone, Kondensatoren und dgl. dem Heißluft-Dampfgemisch Wasser entzogen, steht die im Heißluftstrom verbleibende Energie in Form von heißer Frischluft dem Gesamtprozess energetisch zur Verfügung. 3/9 österreichisches Patentamt AT11 930U1 2011-07-15 [0019] Gleiches gilt für die Luft, die zur Kühlung der technischen Einrichtung, z.B. Kompressor, Kolbenmotor, Generator, Flügelzellenrotationsmotor, Lamellenmotor, Drehkolbenmotoren und dgl. , erforderlich ist. Die Restenergie wird somit nicht verworfen, sondern dem Energieerzeugungsprozess erneut zugeführt. Der geringe Wasseranteil - selbst, falls auf jegliche Entwässerung verzichtet wird - ist bei der Verbrennung von Feststoffen unerheblich und erhöht lediglich den Wassergehalt des Rauchgases. Wasserabscheider oder ggf. Schmierstoffabscheider sind jedoch sinnvoll. Hier bietet der Markt Techniken wie Zyklone, Kondensatoren oder Vergleichbares.
[0020] Durch die Verwendung der Restwärme aus dem Heißluft-/Dampfgemisch nach der Stromerzeugung als Frischluft für die Verbrennung wird ein hoher Gesamtwirkungsgrad erreicht. Eine zusätzliche Optimierung bietet die Wärmerückgewinnung aus dem Rauchgas.
[0021] Diese Prozesse erfolgen über zwei getrennte Wärmetauscher Rauchgas/Luft und Heiß-luft-Dampfgemisch/Wasser. Die Wärmetauscher sind vorwiegend gegenläufig angeordnet, d.h. Rauchgasrichtung und Luft bzw. Wasserfließrichtung sind gegenläufig.
[0022] Anlagen dieser Art werden sinnvollerweise wärmegeführt gefahren, d.h. dem Wärmebedarf wie z.B. dem Heißwasserbedarf angepasst, d.h. die Stromproduktion wird dem Wärmebedarf angepasst. Es ist jedoch möglich, bei der beschriebenen Anlage zwischen Wärme- und Stromproduktion zu wählen. Dies erfolgt durch die Änderung des Mischungsverhältnisses Heiß-luft/Wasserdampf. Wird z.B. eine hohe Erzeugung von Heizenergie gewünscht, ist es sinnvoll, die Anlage mit hohem Heißluftanteil zu betreiben und diese mit geringem Wasseranteil als Verbrennungsluft zu verwenden. Wird wenig Energie zum Heizen verlangt ist es sinnvoll, die Anlage mit höherem Wasserdampfanteil zu fahren und so den Mangel an Heizenergieabgabe zu kompensieren, um die Stromproduktion im Verhältnis zur Heizwärmeproduktion zu erhöhen. Verwendet man zur Kondensation des Dampfes Luftkondensatoren, kann sinnvoller Weise der entstehende Warmluftstrom bei Biomasseanlagen zur Trocknung der Biomasse verwendet werden, um eine bestmögliche Verbrennung zu gewährleisten. Durch das wählbare Mischungsverhältnis Heißluft/Dampf ist ein hoher Auslastungsgrad der Gesamtanlage möglich, insbesondere dann, wenn weniger Wärme, z.B. in den Sommermonaten, abgerufen wird.
[0023] Das nach dem Stromerzeugungsprozess anfallende, entspannte aber immer noch relativ heiße Heißluft-/Dampfgemisch kann auch direkt für Heizzwecke oder als Prozesswärme verwendet werden. Es handelt sich hierbei immer noch um ein energetisch verwertbares Heißluft-/Dampfgemisch. Wird dem Heißluft-/Dampfgemisch so viel Energie entzogen, dass der Taupunkt unterschritten wird oder mittels Dampfabscheider Wasser entzogen, kann das so entstehende Kondensat erneut zur Erzeugung von Heißdampf verwendet werden. Die bei der Komprimierung von Luft entstehende Wärme verbleibt ebenfalls im Prozess. Sie ist zwangsläufig die erste Aufheizphase der Umgebungsluft.
[0024] Die durch diesen Prozess erzeugte Antriebsleistung zur Stromerzeugung bzw. der erzeugte Strom liegt durch die Zuführung von Wärme in den Luftstrom höher als die notwendige Leistung zum Komprimieren der Luft bzw. des Heißwassers, so dass eine Nettostromerzeugung auch nach Abzug der physikalisch bedingten Verluste erzielt wird. Mittels dieser Erfindung wird letztlich Wärme in Strom umgewandelt. Alle beim Prozess anfallenden Energien - ausgenommen Strahlungswärme und rauchgasbedingte Verluste - bleiben somit im Prozess zur Strom- bzw. Wärmeerzeugung.
[0025] Wird die gesamte Anlage - also die Frischluftkomprimierung und die Pumpe zur Druckwassererzeugung - auf eine gemeinsame Arbeitswelle installiert in der Form, dass auf einer Seite der Kompressor angeordnet ist und auf der anderen Seite der Kolbenmotor, Generator, Flügelzellenrotationsmotor, Lamellenmotor, Drehkolbenmotor und dgl., steht eine autarke, von jeglicher Stromzuführung unabhängige Anlage zur Verfügung, die lediglich zum Starten des Prozesses Fremdenergie benötigt. Zur Wirkungsgraderhöhung können mehrere Kolbenmaschinen hintereinander geschaltet werden.
[0026] Die Erwärmung von Luft bewirkt eine Expansion, allerdings nur in geringem Verhältnis, 4/9 österreichisches Patentamt AT11 930U1 2011-07-15 die nach Überwindung der physikalisch bedingten Verluste nur eine sehr geringe Vergrößerung des Luftstromes zur sinnvollen energetischen Nutzung bewirkt. Durch das Einsprühen einer stark expandierenden Flüssigkeit wie z.B. Wasser in den Heißluftstrom erhöht sich der Wirkungsgrad erheblich; z.B. ändert sich der Aggregatzustand von Wasser flüssig/gasförmig bis über das 1000-fache. Der damit verbundene Expansionsdruck erhöht den Druck der bereits vorgespannten heißen Luft erheblich. Verwendet man dazu an Stelle von Wasser geeignete brennbare Flüssigkeiten, können diese auch ohne Abscheidung der Feuerung zugeführt werden.
[0027] Der eingesprühte Dampf muss also in seiner Temperatur höher sein als der Heißluftstrom. Anstelle von Wasser können natürlich auch andere Flüssigkeiten verwendet werden, die allerdings in ihren Beschaffungskosten äußerst niedrig sein sollten, um die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen nicht zu schmälern. Bei Wasser muss lediglich auf die Gefahr der Verkalkung hingewiesen werden, d.h. eine Entkalkungsmaßnahme ist dringend erforderlich.
[0028] Der geringe Anstieg des Feuchtegehaltes der in dem Prozesskreislauf geführten Luft als Verbrennungsluft für die Feuerung ist hierbei unerheblich. ZEICHNUNG: [0029] In der Zeichnung sind die Abläufe der Wasser-, Dampf- und Heißluftkreisläufe dargestellt. Hierbei ist schematisch dargestellt: 1 Frischluftzufuhr 2 Wärmetauscher 2a Wärmetauscher 3 Turbine, Kolbenmotor, Flügelzellenrotationsmotor usw. 4 komprimierte Luft 5 Heißwasser 6 komprimierte Heißluft 7 Kompressor 8 Generator 9 Frischwasser 10 Verbrennung 11 Frischluft 12 Hei ßluft-Dampfgemisch 13 Wärmetauscher 14 Zyklon 15 Heißgas 16 Kondensat 17 Rauchgas 18 Warmwasserrücklauf 19 Warmwasservorlauf 20 Wärmetauscher 21 Warmwasserbereiter [0030] Die Funktion der in der vorstehenden Liste aufgeführten Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachstehend erläutert: [0031] In einer Verbrennungsanlage 10 wird Frischluft aufgeheizt. Sie verlässt als Heizgas 15 die Verbrennungsanlage 10 und betreibt zwei hintereinander geschaltete Wärmetauscher 2 und 2a. Wärmetauscher 2 hat die Aufgabe die Temperatur der Frischluft, die ihm über die Leitung 1, über einen Kompressor 7 und schließlich über die Leitung 4 als komprimierte Frischluft zugeführt wird bis auf mindestens 100° Celsius zu erhitzen. Als komprimierte Heißluft gelangt sie dann über die Leitung 6 in einen Motor, der hier als Beispiel als Turbine 3 dargestellt ist.
[0032] Frischwasser wird über die Leitung 9 dem Wärmetauscher 2a zugeführt und dort auf eine Temperatur die größer als 100qCelsius ist aufgeheizt, um dann über die Leitung 5 als unter 5/9 österreichisches Patentamt AT11 930U1 2011-07-15 hohem Druck stehendes Heißwasser über geeignete Ventile oder Düsen (nicht eingezeichnet) in den in der Turbine 3 befindlichen Heißluftstrom eingesprüht zu werden. Dabei erhöht sich der Gesamtdruck des sich bildenden Heißluft /Wasserdampfgemisches beträchtlich. Die Flügel der Turbine 3 werden zur Drehung veranlasst, die Wärmeenergie des Heißluft/ Dampfgemisches wird in kinetische Energie umgewandelt.
[0033] Wie bereits gesagt, ist in der vorstehenden Liste als Beispiel eines Motors eine Turbine genannt worden. Wie in der Beschreibung ausgeführt, kann es sich aber auch um einen Kolbenmotor, einen Flügelzellenmotor, einen Lamellenmotor, einen Drehkolbenmotor und dgl. handeln. Außerdem ist es möglich, das Heißluft/Dampfgemisch in einer Vorkammer des Motors (nicht gezeichnet) zusammenzubringen, um dann das hoch komprimierte Heißluft/Dampfgemisch dem der Vorkammer nachgeschalteten Motor zuzuführen.
[0034] Die in der Turbine 3 durch Drehung der Flügel erzeugte kinetische Energie wird dann in einem der Turbine nachgeschalteten Generator 8 in elektrische Energie, das heißt in Strom umgewandelt.
[0035] Das die Turbine 3 verlassende, noch heiße Heißluft/Dampfgemisch wird über Leitung 12 einem Wärmetauscher 13 zugeführt um mit diesem die noch vorhandene Wärmeenergie für Heizzwecke im Warmwasserbereiter 21 zu verwerten.
[0036] In einem Zyklon 14 wird das aus dem Wärmetauscher 13 austretende noch Restwärme enthaltende Luft/Dampfgemisch kondensiert. Das Kondensat gelangt über die Leitung 16 in die Frischluftzufuhrleitung 9, und wird mit dem Frischwasser in den Energiekreislauf zurück geführt. Die erwärmte Luft wird aus dem Zyklon 14 über die Leitung 11 als bereits vorgewärmte Luft der Verbrennungsanlage 10 zugeführt.
[0037] Auch das aus dem Wärmetauscher 2a austretende, ebenfalls eine gewisse Restwärme enthaltende Heizgas 15 wird in die Verbrennungsanlage 10 zur Weiterverwendung zurückgeführt. Dort kann beispielsweise in einem Wärmetauscher 20 Warmwasser 18, 19 erzeugt werden, wobei der verbleibende Rauchgasrest 17 die Anlage über den Kamin verlässt.
[0038] Zusammenfassend ist daher festzustellen, dass die vorstehend beschriebene Anlage zur Strom- und Wärmeerzeugung aufgrund der Anordnung der erforderlichen Komponenten und der Führung des Verfahrens als Kreisprozess einen maximalen Wirkungsgrad der Umsetzung von zugeführter Wärme in Strom und Wärme ermöglicht. 6/9

Claims (23)

  1. österreichisches Patentamt AT11 930U1 2011-07-15 Ansprüche 1. Vorrichtung zur Stromerzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass Umgebungsluft (1) über einen Wärmetauscher (2) erhitzbar ist und über eine Turbine, Kolbenmotor, Flügelzellenmotor, Lamellenmotor, Drehkolbenmotor (3) (weiterhin kurz „Motor" bezeichnet) in einem nachgeschalteten Generator (8) Strom erzeugt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2) mit Heißgasen (15) aus einer Verbrennungsanlage (10), Abwärme aus Produktionsverfahren oder Solarenergie gespeist ist, um die Umgebungsluft (1) aufzuheizen.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsluft (1) komprimiert, im Wärmetauscher (2) auf mindestens 100°C erhitzt wird und den Wärmetauscher (2) als komprimierte Heißluft (6) verlässt.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Wärmetauscher (2a) Frischwasser (9) auf eine Temperatur >100°C erhitzbar ist, um den Wärmetauscher (2a) als Heißwasser (5) zu verlassen.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißwasser (5) in die komprimierte Heißluft (6) einsprühbar ist, um ein Wasserdampf/Heißluftgemisch (12) erhöhten Drucks zu erzeugen.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserdampf/Heißluftgemisch (12) in einer Vorkammer oder direkt im Motorraum (3) unter Erhöhung des Drucks erzeugt wird.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsprühen des Heißwassers (5) in die Heißluft (6) über in der Vorkammer oder im Motorraum (3) angeordnete Ventile oder Düsen erfolgt.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühvorgang erst nach Erreichen wählbarer Drucke und wählbarer Temperaturen beginnt.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der komprimierten Heißluft (6) und das Einsprühen des Heißwassers (5) in den Motorraum (3) von einander getrennt erfolgt.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißwasser (5) erst nachdem die komprimierte Heißluft (6) im Motorraum (3) bereits nochmals verdichtet ist, einsprühbar ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserdampf/Heißluftgemisch im Motor (3) in kinetische Energie umwandelbar ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Motor (3) nachgeschaltete Generator (8) die im Motor mittels des Wasserdampf/Heißluftgemisches (12) erzeugte kinetische Energie in elektrischen Strom umwandelt.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischluft (1) geringe Ölmengen beigegeben sind, um im Motorraum entstehende Reibungen zu minimieren.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Frischwasser (9) geringe Ölmengen als Emulsion beigegeben sind, um im Motorraum entstehende Reibungen zu verringern.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Erzeugung des Heißwassers (9) dienende Frischwasser entkalkt ist.
  16. 16. Vorrichtung Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Motor (3) austretende Wasserdampf/Heißluftgemisch (12) (Restenergie) in Form von Frischluft (11) in die Verbrennungsanlage (10) zurückführbar ist. 7/9 österreichisches Patentamt AT11 930U1 2011-07-15
  17. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Motor (3) austretende Wasserdampf/Heißluftgemisch (12) über einen Wärmetauscher (13) Warmwasser, Heizenergie, Heißluft oder Produktionswärme (21) erzeugt.
  18. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Motor (3) austretende Wasserdampf/ Heißluftgemisch (12) über Wasserabscheider und/oder Schmierstoffabscheider (Zyklon 14) führbar ist.
  19. 19. Vorrichtung nach einem Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Kühlung der technischen Komponenten der Vorrichtung, Kompressor (7), Motor (3), Generator (8), erforderliche Luft durch einen dem Motor (3) nachgeschalteten Wärmetauscher (13) und ein Zyklon (14) erzeugbar ist.
  20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Zyklon (14) zugeführte Wasserdampf/Heißluftgemisch (13) nach Unterschreitung des Taupunktes kondensiert und einerseits als Frischwasser (16) der Frischwasserzufuhr (9) und andererseits als Warmluft (11) der Verbrennungsanlage (10) zuführbar ist.
  21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Verbrennungsanlage (10) erhaltene Heißgas (15) nach Durchlaufen der Wärmetauscher (2,2a) als Restenergie in einem weiteren Wärmetauscher (20) zur Warmwassererzeugung (18,19) verwendbar ist.
  22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Wasserdampf/Heißluftgemisches (12) variierbar ist, um die Wahl zwischen Wärme-und Stromproduktion zu ermöglichen.
  23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Zyklon (14) austretende Warmluft (11) zum Trocknen von Biomasse verwendbar ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 8/9
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