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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ausnutzen der Abgaswärme einer Feuerungsanlage, insbesondere einer Ölheizung, mit einem Schornstein zur Ableitung der Rauchgase ins Freie und einer Gasturbine..
Bei der Auslegung des Schornsteins einer Feuerungsanlage muss nicht nur auf den zu erzeugenden, die Verbrennung beeinflussenden Zug, sondern auch auf die mit den durch den Schornstein abgeleiteten heissen Rauchgasen zusammenhängenden Betriebsbedingungen genau geachtet werden. Es ist nämlich dafür zu sorgen, dass diese Rauchgase auf dem Weg ins Freie ihren Taupunkt nicht unterschreiten, da eine. solche Unterkühlung der Rauchgase die Ausscheidung von Schadstoffen, insbesondere von Schwefel bzw. Schwefelverbindungen zur Folge hat, was zu Beschädigungen, Undichtheiten und Korrosionserscheinungen des Schornsteins führt.
Die Gefahr dieser Schwefelkorrosionen u. dgl. ergibt sich dabei vor allem bei Verfeuerung von schwefelhaltigen Brennstoffen, also beispielsweise von Ölen, und das einzige Gegenmittel, diese Gefahr zu bannen, scheint darin zu bestehen, die Abgastemperatur entsprechend hoch zu halten, womit aber zwingend ein beträchlicher Verlust an Abgaswärme verbunden ist. Rauchgase einer üblichen Ölheizung verlassen z. B. auch die Schornsteinmündung mit einer Temperatur von zirka 150 und mehr, welche Abgaswärme bisher nicht weiter ausgenutzt werden konnte.
Gemäss der DE-OS 2815764 wurde zwar bereits vorgeschlagen, ein auf einem Kamin aufgebautes Windkraftwerk mit einer im Inneren des Kamins installierten Gas- oder Luftturbine zu kombinieren, wobei die Aufheizung des Kamins durch Solarzelle oder Verbrennungswärme erfolgen soll. Diese Wärme-Wind-Kraftwerke können allerdings von vorherein nur mit einem speziell für sie entworfenen und ausgelegten Kamin zusammenwirken und ihr Einsatz bei einer üblichen Feuerungsanlage ist schon deshalb unmöglich, da die innerhalb des Kamins angeordnete Turbine bei der Ausnutzung der Rauchgaswärme bzw. -strömung zu starke Rückwirkungen auf den Kamin mit sich brächte.
Es käme nicht nur zu einer Beeinträchtigung der Zugverhältnisse für die Heizungsanlage, sondern vor allem auch zu einer Unterkühlung der Rauchgase im Kamin, was aber unbedingt zu vermeiden wäre. Eine Anwendung der vorgeschlagenen Kraftwerksanlage im Zusammenhang mit bestehenden bzw. bekannten Feuerungsanlagen ist daher praktisch nicht durchführbar und eine Verwirklichung in Verbindung mit einem eigens für solche Kraftwerke entworfenen Kamin dürfte von vornherein wegen des dazu erforderlichen hohen Aufwandes scheitern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, die auf einfache Weise eine Ausnutzung der Abgaswärme erlaubt, einen Betrieb ohne die Gefahr einer Rückwirkung auf den Schornstein gewährleistet und auch nachträglich bei einer bereits bestehenden Feuerungsanlage schwierigkeitslos installierbar ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Gasturbine mit Abstand über der Schornsteinmündung angeordnet ist und in einer düsenförmigen Rauchgasführung sitzt, deren Eintrittsbereich bis unter die Schornsteinmündung reicht und den Schornstein unter Freilassung eines einen Luftansaugkanal bildenden Zwischenraumes umgibt. Die den Schornstein verlassenden heissen Rauchgase strömen durch die Rauchgasführung der Gasturbine zu, die dem durchströmenden Medium mechanische Energie entzieht und diese beispielsweise an einen direkt angekuppelten Generator abgibt.
Dabei wird auf Grund der vorzugsweise in Art einer Lavaldüse ausgebildeten Rauchgasführung, die sich entsprechend weit abwärts erstreckt, Umgebungsluft angesaugt und dem Rauchgas zugemischt, welches Rauchgas-Luftgemisch wegen der düsenbedingten Druck-Geschwindigkeitsumwandlung mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit die Gasturbine beaufschlagt, so dass eine gewünschte Energieausbeute sichergestellt ist. Trotz dieser auf einfache Weise erreichbaren und überall anwendbaren Möglichkeit einer Abgaswärmeausnutzung ist keinerlei schädliche Rückwirkung auf den Schornstein bzw. die Zugverhältnisse im Schornstein zu befürchten, da die Gasturbine genügend weit ausserhalb des Schornsteins liegt und auch das oberhalb des Schornsteins erfolgende Zumischen von Luft zum Rauchgas im Schornsteinbereich keine Rauchgasunterkühlung mit sich bringen kann.
Die spezielle Ausgestaltung der Turbine, die Dimensionierung und Formgebung der Rauchgasführung, die Anordnung von strömungsgünstigen Verkleidungen für Turbine bzw. Generator oder die Verwendung zusätzlicher Leiteinrichtungen u. dgl. können dabei je nach den vorhandenen Gegebenheiten, Rauchgasmengen, Rauchgastemperaturen, anzusaugenden Luftmengen, Zug- und Strömungsverhältnissen usw. frei gewählt werden, für welche Wahl natürlich ein möglichst guter Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung massgebend sein wird.
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Eine konstruktiv vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn das Laufrad der Gasturbine über eine vorzugsweise leitradartig ausgebildete Abstützung in der mittels Strebe od. dgl. am Schornstein oder Dach aufgesetzten Rauchgasführung gelagert ist. Eine solche Abstützung erlaubt nicht nur die Beeinflussung der Strömungsverhältnisse für die Turbine, sondern schafft auch eine einfache Halterung für die Turbinen-Generatoreinheit, wodurch insgesamt die Vorrichtung ohne grossen Bauaufwand herstellbar ist, relativ leicht an Gewicht bleibt und mit wenigen Handgriffen praktisch überall und jederzeit montierbar und auch wieder demontierbar ist.
Um bei wechselnden Bedingungen, seien, sie von der Witterung oder dem Betrieb der Feuerungsanlage selbst abhängig, die Abgaswärmeausnutzung an die gerade vorhandenen Verhältnisse anpassen zu können, sind erfindungsgemäss verstellbare, den Luftzutritt bestimmende Klappen od. dgl. für den Luftansaugkanal vorgesehen. Diese Klappen lassen sich mit einer händisch oder automatisch betätigbaren Verstelleinrichtung versehen und ermöglichen durch die Beeinflussung der Luftansaugung eine Optimierung des Wirkungsgrades der ganzen Energierückgewinnungsvorrichtung.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel rein schematisch dargestellt.
Eine einfache, leicht montierbare, überall einsetzbare und ohne nachteilige Folgen für den Schornstein oder die Verbrennung wirkende Vorrichtung zum Ausnutzen der Abgaswärme einer Feuerungsanlage besteht im wesentlichen aus einer düsenförmigen Rauchgasführung --1--, die mittels Streben --2-- am Schornstein --3-- aufgesetzt ist und mit ihrem Eintrittsbereich --4-- bis unter die Schornsteinmündung --5-- reicht. Die Rauchgasführung-l-liegt koaxial zum Schornstein - und lässt zwischen Eintrittsbereich-4-- und Schornstein-3-- einen ringförmigen Luftansaug- kanal --6-- frei, durch den Umgebungsluft --7-- angesaugt und den die Schornsteinmündung --5-- verlassenden Rauchgasen --8-- zugemischt wird.
Mit Abstand oberhalb der Schornsteinmündung-5-- ist nun innerhalb der Rauchgasführung --1-- eine Gasturbine --9-- angeordnet, die dem durchströmenden Luft-Gasgemisch Energie entzieht und diese an einen Generator --10-- weitergibt, der unmittelbar an die Turbine --9-- angeschlossen ist. Die Gasturbine --9-- besitzt ein Laufrad--11--
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--12--,Rauchgasführung-l-gehalten wird.
Um den Luftzutritt regulieren zu können, sind dem Luftansaugkanal-6-- verstellbare Klappen - zugeordnet, die je nach Stellung den Durchtrittsquerschnitt des Kanals bestimmen.
Die den Schornstein --3-- verlassenden heissen Rauchgase --5-- saugen durch den Ansaugkanal --6-- Luft --7-- in die Rauchgasführung ein, wobei die angesaugte Luftmenge über die Klappen --13-- regulierbar ist. Das oberhalb der Schornsteinmündung --5-- entstehende warme Rauchgas-Luftgemisch strömt dann der Gasturbine --9-- mit einer relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit zu, da auf Grund der Düsenform der Rauchgasführung-l-der Druck des Gemisches weitgehend in Geschwindigkeit umgesetzt wird.
Das Gemisch betreibt die Gasturbine --9-- und damit den Generator --10--, der zum Schutz entsprechend eingekapselt ist und über nicht näher dargestellte Leitungen elektrische Energie beliebigen Verbrauchern zuliefert, wobei in günstiger Weise die Verbraucher an eine vom Generator gespeiste Batterie angeschlossen sind, um trotz des von der Rauchgasströmung abhängigen ungleichmässigen Energieanfalles eine konstante elektrische Leistung abnehmen zu können. Als Verbraucher eignen sich dabei vor allem feuerungseigene Einrichtungen, wie Zündung, Umwälzpumpe, Ölvorwärmung usw., da sich dann die Feuerungsanlage sozusagen selbst betreibt.
Wegen des Abstandes der Gasturbine --9-- von der Schornsteinmündung - und weil die angesaugte Luft die Rauchgase im Bereich des Schornsteins --3-- nicht unterkühlen kann, besteht keine Gefahr schädlicher Rückwirkungen bei der Abgaswärmeausnutzung auf den Schornstein bzw. auf die Zugverhältnisse im Schornstein.
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The invention relates to a device for utilizing the exhaust gas heat of a furnace, in particular an oil heater, with a chimney for discharging the flue gases into the open and a gas turbine.
When designing the chimney of a combustion system, not only the draft to be produced, which influences the combustion, but also the operating conditions associated with the hot flue gases derived from the chimney must be carefully observed. It must be ensured that these flue gases do not fall below their dew point on the way to the outside, as one. such subcooling of the flue gases results in the elimination of pollutants, in particular sulfur or sulfur compounds, which leads to damage, leaks and signs of corrosion in the chimney.
The danger of this sulfur corrosion and. The like. arises especially when burning sulfur-containing fuels, e.g. oils, and the only antidote to averting this danger seems to be to keep the exhaust gas temperature high, but this entails a considerable loss of exhaust gas heat . Flue gases from a conventional oil heater leave e.g. B. also the chimney mouth with a temperature of about 150 and more, which exhaust gas heat could not be used up to now.
According to DE-OS 2815764, it has already been proposed to combine a wind power plant built on a chimney with a gas or air turbine installed inside the chimney, the chimney being heated by solar cell or combustion heat. However, these heat-wind power plants can only work with a chimney specially designed and designed for them, and their use in a conventional firing system is impossible because the turbine located inside the chimney exploits the flue gas heat or flow would have strong repercussions on the fireplace.
This would not only have an adverse effect on the draft conditions for the heating system, but above all would also result in hypothermia in the flue gases in the chimney, but this should be avoided at all costs. An application of the proposed power plant in connection with existing or known combustion plants is therefore practically not feasible and a realization in connection with a fireplace specially designed for such power plants should fail from the outset due to the high effort required.
The invention is therefore based on the object of providing a device of the type described at the outset, which allows the exhaust gas heat to be exploited in a simple manner, ensures operation without the risk of repercussions on the chimney and can also be subsequently installed without difficulty in an existing combustion system.
The invention solves this problem in that the gas turbine is arranged at a distance above the chimney mouth and is seated in a nozzle-shaped flue gas duct, the inlet area of which extends below the chimney mouth and surrounds the chimney, leaving an intermediate space forming an air intake duct. The hot flue gases leaving the chimney flow through the flue gas duct to the gas turbine, which extracts mechanical energy from the medium flowing through and releases it, for example, to a directly coupled generator.
Ambient air is drawn in and mixed with the flue gas due to the flue gas duct, which is preferably designed in the manner of a Laval nozzle and extends correspondingly far downward, and which flue gas / air mixture acts on the gas turbine at a relatively high flow rate due to the nozzle-related pressure-speed conversion, so that a desired energy yield is ensured. Despite this possibility of exhaust gas heat utilization, which is easily accessible and can be used anywhere, there is no fear of any harmful repercussions on the chimney or the draft conditions in the chimney, since the gas turbine is sufficiently far outside the chimney and also the addition of air to the flue gas above the chimney Chimney area can not bring flue gas subcooling with it.
The special design of the turbine, the dimensioning and shape of the flue gas duct, the arrangement of flow-favorable cladding for the turbine or generator or the use of additional control devices and the like. The like. Depending on the existing conditions, flue gas quantities, flue gas temperatures, air quantities to be sucked in, draft and flow conditions, etc. can be chosen freely, for which choice the best possible overall efficiency of the device will of course be decisive.
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A structurally advantageous embodiment of the invention results if the impeller of the gas turbine is supported by a support, preferably a stator-like support, in the flue gas duct attached to the chimney or roof by means of a strut or the like. Such a support not only allows the flow conditions for the turbine to be influenced, but also creates a simple holder for the turbine generator unit, as a result of which the device as a whole can be produced without great construction expenditure, remains relatively light in weight and can be installed practically anywhere and at any time in a few simple steps and is also removable.
In order to be able to adapt the exhaust gas heat utilization to the prevailing conditions in the event of changing conditions, depending on the weather or the operation of the combustion system itself, adjustable flaps or the like determining the air access or the like are provided for the air intake duct. These flaps can be provided with a manually or automatically operated adjustment device and, by influencing the air intake, enable the efficiency of the entire energy recovery device to be optimized.
In the drawing, the subject matter of the invention is shown purely schematically in one embodiment.
A simple, easy-to-assemble device, which can be used anywhere and has no adverse consequences for the chimney or the combustion, for utilizing the exhaust gas heat of a combustion system essentially consists of a nozzle-shaped flue gas duct --1--, which can be attached to the chimney by struts --2-- -3-- is attached and extends with its entrance area --4-- to below the chimney mouth --5--. The flue gas duct-l-is coaxial with the chimney - and leaves an annular air intake duct --6-- free between inlet area-4-- and chimney-3--, sucked in by the ambient air --7-- and through the chimney mouth - -5-- leaving flue gases --8-- is added.
At a distance above the chimney mouth-5--, a gas turbine --9-- is now arranged within the flue gas duct --1--, which extracts energy from the air-gas mixture flowing through and passes it on to a generator --10--, which immediately connected to the turbine --9--. The gas turbine --9-- has an impeller - 11--
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--12 -, flue gas routing-l-is held.
In order to be able to regulate the air access, adjustable flaps are assigned to the air intake duct 6, which determine the passage cross section of the duct depending on the position.
The hot flue gases --5-- leaving the chimney --3-- suck through the intake duct --6-- air --7-- into the flue gas duct, whereby the amount of air sucked in is adjustable via the flaps --13-- . The warm flue gas-air mixture that arises above the chimney mouth --5-- then flows to the gas turbine --9-- at a relatively high flow rate, since the pressure of the mixture is largely converted into speed due to the shape of the flue gas duct.
The mixture operates the gas turbine --9-- and thus the generator --10--, which is encapsulated for protection and supplies electrical energy to any consumer via lines (not shown), the consumers being conveniently supplied to a battery supplied by the generator are connected in order to be able to decrease a constant electrical output despite the non-uniform energy consumption dependent on the flue gas flow. Firing devices such as ignition, circulation pump, oil preheating etc. are particularly suitable as consumers, since the firing system then operates itself, so to speak.
Because of the distance of the gas turbine --9-- from the chimney mouth - and because the intake air cannot subcool the flue gases in the area of the chimney --3--, there is no risk of harmful repercussions when using the exhaust gas heat on the chimney or on the draft in the chimney.
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