AT501529A1

AT501529A1 - Hochdruck-dampfstrahlpumpe mit thermischer dampfauffrischung in der laval-treibdüse

Info

Publication number: AT501529A1
Application number: AT6082005A
Authority: AT
Original assignee: Nagel Siegfried
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2006-09-15

Description

In einer Ausführung nach US 5 983 640 A wird mit Hilfe einer Dampfstrahlpumpe Luft angesaugt und schlussendlich ebenfalls in einer Turbine expandiert.
Die Anmeldung EP 0462 458 A beschreibt ein Verfahren, wonach in einem Abhitzedampferzeuger einer Gasturbogruppe Hochdruck-Treibdampf erzeugt, welcher zur Verdichtung der Luft mittels Dampfstrahlpumpe verwendet wird.
Aus GB 190927090 A ist bekannt, dass mittels Dampf, Brennstoff und Luft von einem Strahlapparat angesaugt wird.
Aus der Anmeldung DE 560 273 C geht hervor, dass eine vorverdichtete Verbrennungs- und Mischluft durch die Injektorwirkung von Hochdruck-Heissdampf auf einen höheren Druck gebracht wird.
Zum Verdichten der Verbrennungsluft in einer Wärmekraftmaschine können Hochdruck-Dampftreibstrahlpumpen nur sehr bedingt eingesetzt werden, da die Strahlpumpen extrem schlechte Wirkungsgrade erzielen.

Dieser schlechte Wirkungsgrad resultiert zum einen daraus, dass der Hochdruck-Treibdampf bereits in der LavalTreibdüse in den Zustand des Nassdampfes übergeht. Zum anderen wird durch die Vermischung mit der Ansaugluft aus der relativ kühlen Umgebung der Dampf in der Injektorkammer vollständig verflüssigt, der Wirkungsgrad (Injektor-Gütegrad) sinkt dermassen bis auf < 5 %.
In der prioritätsbegründenden Einreichung A 412 / 2005, ist ein Erfindung und Verfahren beschrieben, welche den Wirkungsgrad der Hochdruck-Dampftreibstrahlpumpe durch Vorerhitzen der Verbrennungsluft verbessert, indem die vorerwärmte Verbrennungsluft das Kondensat aus der Laval-Treibdüse im Mischrohr wieder verdampft und eine neuerliche Bildung von Kondensat im Mischrohr verhindert wird.
Es ist dermassen eine ausreichende Pumpfähigkeit des Dampfes hergestellt,

um den unvermeidliche Flüssigkeitseintrag des Treibdampfes in die Verbrennungsluft unter einem Mass zu halten, welches zum Löschen der Flamme führt, aber die, den Wirkungsgrad des Injektors mindernde Kondensatbildung in der Laval-Treibdüse, ist nach der Einreichung A 412 / 2005 nicht vermieden worden. Die beschriebene Wiederverdampfung des Kondensates im Mischrohr steigert die Pumpfähigkeit des Treibdampfes (durch Volumenzunahme des Dampfes), nicht aber dessen Geschwindigkeit.
Mit der gegenständlichen Erfindung wird der Wirkungsgrad der Hochdruck-Dampfstrahlpumpe deutlich gesteigert, indem das in herkömmlichen Laval-Treibdüsen im Dampf entstehende Kondenswasser vermieden wird und die Austrittsgeschwindigkeit des Treibdampfes gesteigert wird.

Mit dem Wandeln des Dampfdrucks in die Überschallgeschwindigkeit des abströmenden Treibdampfes leistet der Dampf Arbeit und kühlt dabei soweit ab, dass er in herkömmlichen Laval-Treibdüsen deutlich in den Nassdampfbereich gerät, dies wird erfindungsgemäss verhindert.
Um diese Schadwirkung zu vermeiden, wird der Dampf schon im Entstehen von Nassdampf innerhalb der Laval-Treibdüse aufgefrischt - es wird ihm von aussen Wärme zugeführt. Dadurch wird eine Nassdampfbildung in der Laval-Treibdüse verhindert und der ausströmende Dampf expandiert weit stärker, als in herkömmlichen Laval-Treibdüsen. Diese thermisch verstärkte und vervollständigte Expansion des Dampfes verstärkt analog die Dampf-Beschleunigungswirkung einer Laval-Treibdüse (= Dampfgeschwindigkeit).

Der Hochdruck des Treibdampfes wird verstärkt expandiert und in eine weit höhere Überschallgeschwindigkeit - gegenüber herkömmlicher Laval-Treibdüsen - gewandelt.
Die erforderliche Wärme zur Auffrischung des Dampfes in der Laval-Treibdüse kann über Kontaktwärme von den Wandungen der Lavaldüse auf den Dampf übertragen werden. Es wirkt sich minimierend auf die erforderlichen Tauschfläche der LavalTreibdüse aus, dass Wasserdampf von Natur aus eine sehr hohe Tauschfähigkeit besitzt ( u.

U. > 10.000 W / m<2>K ) und anderseits streift der Dampf anwendungsspezifisch vorteilhaft mit extrem hoher Geschwindigkeit an den Tauschwänden (Düsenwandungen) entlang.
Jedenfalls ist es aber erforderlich, den üblichen Steigewinkel des zumindest divergenten Düsenteil der Laval-Treibdüse - mit üblicherweise ca. 8[deg.] bis 10[deg.] - weit flacher zu gestalten, um eine ausreichende Länge und somit ausreichende Tauschfläche der Düse zu erhalten. In einer Laval-Treibdüse kann eine Oberflächenvergrösserung grundsätzlich nur entlang einer geradlinigen Strömungsachse erfolgen, da der Dampf mit Überschallgeschwindigkeit durch die Düse fliesst.

Folglich würde eine räumliche Krümmung der Fliessachse zu sehr schadhaften Verdichtungsstössen im Dampf führen und die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes schadhaft stark abbremsen.
Das Temperaturgefälle der heissen Brennerwandung - mit meist deutlich über 1000[deg.]C - zum aufzufrischenden Dampf ist vorteilhaft hoch. In Anwendung des ersten Ausführungsbeispiels der gegenständlichen Erfindung - mit direktem thermischem Schluss vom Brenner zur Laval-Treibdüse - wird dieses Gefälle vorteilhaft weitest möglich ausgenützt. In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Auffrischung des Dampfes mit indirekter Wärmeübertragung von den Brennerwandungen auf die Laval-Treibdüse beschrieben. Dazu wird als Transportmedium sinnvoller weise der Treibdampf selbst eingesetzt.

Er nimmt am Wärmetauscher des Benner zusätzliche Wärme auf und gerät so weit in den Bereich überhitzten Dampfes. Über den Wärmetauscher zur LavalTreibdüse überträgt der überhitzte Dampf Wärme auf den in der Laval-Treibdüse expandierenden Dampf.
Eine weitere Möglichkeit stellt das elektrisch abgespeiste Megatron dar, welches Mikrowellen in den Dampf der Laval-Treibdüse sendet und diesen dermassen erwärmt. Dazu muss die Laval-Treibdüse aus einem elektrisch nicht leitenden Material - vorzugsweise aus Keramik - bestehen. Das elektrisch betriebene und nach aussen hin abgeschirmte Megatron gibt Mikrowellenstrahlen ab, welche in den Wassertröpfen des Kondensat in Wärme gewandelt werden und diese verdampfen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung erläutert.

Diese zeigen:
Fig. 1 : Eine schematische Ansicht der Strahlpumpe mit direktem thermischem und räumlichem Schluss zum Brenner.
Fig. 2: Eine schematische Ansicht der Strahlpumpe mit einem Megatron zur Erbringung der Wärme für die Dampfauffrischung in der Laval-Treibdüse.
Fig. 3: Zeigt eine schematische Darstellung der Strahlpumpe, bei der die Wärme zur Dampfauffrischung indirekt mittels des Treibdampfs als Transportmedium vom Brenner auf die entfernt gelegene Laval-Treibdüse übertragen wird.
Bei der erfindungsgemässen Hochdruck-Dampfstrahlpumpe wird die Bildung von Kondensat im Treibdampf innerhalb der Laval-Treibdüse (5) durch Zufuhr von zusätzlicher Wärme von aussen vermieden.

Durch das Vermeiden einer solchen Nassdampfbildung in der Laval-Treibdüse (5) vergrössert sich das Volumen des expandierenden Dampfes und die Austrittsgeschwindigkeit des Treibdampfes am Laval-Treib-düseaustritt (8) nimmt erheblich zu. Der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Strahlpumpe verbessert sich gegenüber herkömmlichen Strahlpumpen wesentlich. Um die erforderliche Wärmemenge zur Auffrischung des Dampfes in der Laval-Treibdüse (5) zu erbringen, sind äussere Wärmequellen (16) erforderlich. Naheliegen bietet sich dazu primär der Brenners (16) an. Der Brenner (16), welcher erfindungsgemäss vom Injektor (33) mit Verbrennungsluft geladen wird, erzeugt im Regelfall eine Temperatur von > 1000[deg.]C.

Diese verursacht derart grosse Temperaturgefälle zum aufzufrischenden Dampf, dass mit einer relativ kleinen Tauschfläche (34), die erforderliche Wärmemenge übertragen werden kann.
Als Tauschfläche (34) dient die Wandung der Laval-Treibdüse (5). Diese Tauschfläche (34) muss aber, gegenüber den sonst üblichen Bauweisen, doch etwas vergrössert werden. Dies gelingt, indem zumindest der divergente Düsenteil (3) der LavalTreibdüse (5) anstelle der üblichen 8[deg.] - 10[deg.] Steigungswinkelder Düse (3), weit flacher gebaut wird.

Dadurch verlängert sich dieser Düsenteil (3) und bietet eine vergrösserte Oberfläche (34).
Die längliche Streckung der Düse (3) kann aber nur geradlinig entlang der Strömungsrichtung des Dampfes erfolgen, da der Dampf Überschallgeschwindigkeit aufweist und eine Krümmung der Fliessachse zu sehr schadhaften Verdichtungsstössen im Dampf führen würde. Die Funktion der Beschleunigung des Dampfes in die Überschallgeschwindigkeit, wird durch die Streckung der Düse (3) in keiner Weise beeinträchtigt.
Selbstverständlich können anstelle einer einzelnen Laval-Treibdüse (5), auch mehrere, entsprechend kleinere Laval-Treibdüsen (5) eingesetzt werden. Auch dadurch wird die Tauschfläche (34) vergrössert.
Nahe liegend wird die Laval-Treibdüse (5) thermisch und räumlich direkt mit dem Benner (17) verbunden (4).

Dadurch wird vorteilhaft das höchstmögliche Temperaturgefälle zum Dampf ausgenutzt und umgekehrt eine kleinstmögliche Baugrösse der Laval-Treibdüse (5) (Tauschfläche 34) erreicht.
Grundsätzlich ist aber auch der Wärmetransport vom Brenner (17) zur sodann räumlich getrennten Laval-Treibdüse (5) mittels Transportmedium möglich. Dazu wird am Brenner (17) ein Dampf-Wärmetauscher (31) thermisch schlüssig (30) angebracht und mittels des dermassen weit überhitzten Triebdampfes Wärme zum an der LavalTreibdüse (5) thermisch schlüssig (26) anbauten Dampfwärmetauscher (27) übertragen. Der Treibdampf wird nach Durchströmen des Laval-Treibdüsen-Wärmetauschers (27) - mit folglicher Wärmeabgabe - in den Treibdampf anschluss (1) der Laval-Treibdüse (5) geleitet.

Eie weitere Möglichkeit, den Dampf in der Laval-Treibdüse (5) aufzufrischen besteht darin, ihn mit Mikrowellen von aussen aufzuheizen. Zu diesem Zweck wird auf den keramischen Laval-Treibdüsenkörper (24) ein Megatron (21) aufgeflanscht, welches nach aussen abgeschirmt (23) ist. Das Megatron (21) erwärmt die Kondensattröpfchen im Treibdampf und verdampft diese.
Eine Mischfunktion aus Erwärmung mittels Megaton (21) und Brenner (16) ist nicht möglich, da der Wärmeübertrag aus dem Brenner (16) mit thermisch gut leitenden Metallen (17 + 4) an der Laval-Treibdüse (5) erfolgt, das Megatron (21) verlangt umgekehrt aber elektrischen Nichtleiter (24) mit bekannt schlechter Wärmeleitfähigkeit.
Durch den erfindungsgemässen Einsatz einer Dampfstrahlpumpe steigt deren Wirkungsgrad in hohem Mass.

In einer herkömmlichen Laval-Treibdüse kondensiert, je nach Druck des Treibdampfes, bis zur Hälfte des Dampfes schon innerhalb der Laval-Treibdüse. Wichtig ist es zu wissen, dass Flüssigkeit als Treibstrahl zum Pumpen von Luft nicht geeignet ist, da das Volumen des kondensierten Dampfes gegenüber der gasförmigen Luft derart verschwindet klein ist, dass praktisch keine Pumpwirkung von diesen Flüssigkeitströpfchen im Mischrohr (9) ausgeht. Die Kondensattröpfchen verlassen das Mischrohr (9) - sofem die Verbrennungsluft nicht ausreichend vorerhitzt ist - in immer noch flüssiger Form in den Injektordiffusor (10). Auch dort sind diese Flüssigkeitströpfchen weitestgehend nutzlos und ohne druckerhöhende Wirkung.
Ein ausreichender Druck in der Brennkammer (16) ist aber Voraussetzung für einen guten Wirkungsgrad an der Abgasturbine (18).

Somit ist also letztlich der Gütegrad des Injektors (33) für den Gesamtwirkungsgrad alles entscheidend. Durch das Auffrischen des Dampfes in der Laval-Treibdüse (5) erreicht der Injektor (34) erfindungsgemäss die erforderlichen Pumpleistungen und einen hohen Gesamtwirkungsgrad.
Es ist durchaus erfindungskonform, wenn andere Energiequellen, als die zuvor ausführlich beschriebenen Quellen (16 + 21) zur Aufheizung des Dampfes innerhalb der Laval-Treibdüse (5) verwendet werden. Als unvollständiger Auflistung der möglichen Quellen sei erwähnt, dass auch die Abwärme nach der Turbine (18), welche über deren Abgasauslass (20) abströmt, über Wärmetauscher für diesen Zweck genutzt werden kann. Ebenso können anstelle eines elektrischen Megatron (21) auch andere elektrische Heizglieder (z. B. Ohmsche) verwendet werden.

Siegfried Nagel Unterbach 1111 A- 6863 Egg
Legende zu den Hinweisziffern:
1 = Treibdampfanschluss an der Düse für Hochdruckdampf
2 = Konvergente Düsenteil der LavalTreibdüse
3 = Divergente Düsenteil der LavalTreibdüse
4 = Thermische gut leitende direkte Verbindung zwischen Brenner und Laval-Treibdüse
5 = Laval-Treibdüse gesamt
6 = Anschlussstutzen für derfVerbrennungsluftluftansaugung
7 = Einlasskonus für die angesaugte Luft
8 = Dampfaustrittsöffnung an der LavalTreibdüse
9 = Injektormischrohr
10 = Nachgeschalteter Injektordiffusor
11 = Überströmleitung des Dampf / Luftgemisch in den Brenner
12 = allseitige Wärmeisolierung aller heissen Bauteile und Leitungen
13 = Verbrennungslufteinlass am Brenner 4 = Treibstoffanschluss am Brenner 5 = Treibstoffdüse im Brenner 6 = Brenner / Brennraum 7 = Brennerwandungen
18 = Abgas-Strömungsturbine 19 = Kraftabnahmewelle der

Turbine
20 = Auspuffleitung der Turbine (führt zum Wärmetauscher)
21 = Megatron
22 = elektrischen Anschlüsse des Megatron
23 = Abschirmung des Megtron
24 = keramischer LavalTreibdüsenkörper
25 = Dampf-Überströmleitung vom Laval-Treibdüsentauscher zum LavalTreibdüsen-Anschluss
26 = thermisch leitende Verbindung zwischen Laval-Treibdüse und Wärmetauscher
27 = Wärmetauscher zur LavalTreibdüse
28 = Überströmleitung vom Brennertauscher zum Laval-Treibdüsentauscher
29 = Austritt Brennerwärmetauscher
30 = thermisch leitende Verbindung vom Brennerwärmetauscher z. Brenner
31 = Brennerwärmetauscher
32 = Brennerwärmetauscher Eintritt
33 = Injektor gesamt
34 = innere Tauschfläche der LavalTreibdüse zum Dampf

Claims

Siegfried Nagel Unterbach 1111 A- 6863 Egg Patentansprüche :

1. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe, bestehend aus der Laval-Treibdüse (5), dem Einlasskonus für das Fördermedium (6 + 7), dem Injektor-Mischrohr (9) für das Dampf- Luftgemisch und dem nachgeschalteten Injektor-Diffusor (10) zur Druckerhöhung des Gemisches und mit einem Dampftreibstrahl zum Fördern und nachfolgenden Verdichten von gasförmigen Medien, insbesondere von Verbrennungsluft für einen nachgeschalteten, kontinuierlich betriebenen Druckbrenner (16), dadurch gekennzeichnet, dass der Laval-Treibdüse (5), zur Auffrischung des Dampfes innerhalb der Laval-Treibdüse (5) von einer äusseren Wärmequelle (16), bzw. von einer elektrisch gespeisten Quelle (21) Wärme zugeführt wird.

1. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe, bestehend aus der Laval-Treibdüse (5), dem Einlasskonus für das Fördermedium (6 + 7), dem Injektor-Mischrohr (9) für das Dampf- Luftgemisch und dem nachgeschalteten Injektor-Diffusor (10) zur Druckerhöhung des Gemisches und mit einem Dampftreibstrahl zum Fördern und nachfolgenden Verdichten von gasförmigen Medien, insbesondere von Verbrennungsluft für einen nachgeschalteten, kontinuierlich betriebenen Druckbrenner (16), dadurch gekennzeichnet, dass der Laval-Treibdüse (5), zur Auffrischung des Dampfes innerhalb der Laval-Treibdüse (5), von einer äusseren Wärmequelle (16), bzw. von einer elektrisch gespeisten Quelle (21), Wärme zugeführt wird.

2. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Laval-Treibdüse (5) von einer äusseren Wärmequelle (16) Wärme zugeführt wird und diese Wärme innerhalb der Laval-Treibdüse (5) über Wärmetauschflächen (34) auf den durchströmenden Dampf übertragen wird.

2. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Laval-Treibdüse (5) von einer äusseren Wärmequelle (16) Wärme zugeführt wird und diese Wärme innerhalb der Laval-Treibdüse (5) über Tauschflächen (34) auf den durchströmenden Dampf übertragen wird.

3. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laval-Treibdüse (5) eine thermische Verbindung (4) zur Brennerwandung (17) aufweist und von diesem Brenner (16) die Wärme zur Dampfauffrischung bezieht.

3. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laval-Treibdüse (5) eine ausreichende thermische Verbindung (4) zur Brennerwandung (17) aufweist und vom diesem Brenner (16) die erforderliche Wärme zur Dampfauffrischung bezieht.

4. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (5) und die Brennerwandung (17) räumlich und thermisch schlüssig aneinandergebaut sind.

5. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Düsenkörper (5) zu den Brennerwandungen (17) eine ausreichende Wärmeleitverbindung (4) hergestellt ist, um den Dampf in der Laval-Treibdüse (5) im erforderlichen Mass aufzufrischen.

6. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laval-Treibdüse (5) eine ausreichende Tauschfläche (34) zum Treibdampf aufweist, um die erforderliche Wärmemenge vom Düsenkörper (5) auf den Treibdampf zu übertragen.

7. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der divergenten Düsenteil (3) einen deutlich flacheren Steigungswinkel als 8[deg.] aufweist und durch die dermassen erfolgte längliche, geradlinige Streckung der Düse (3) zur Fliessrichtung des Dampfes, die Tauschfläche (34) der Laval-Treibdüse (5) zum Treibdampf vergrössert ist.

8. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauschfläche (34) der Laval-Treibdüse (5) zum Treibdampf durch die Vervielfachung der Lavaltreibdüsen (5) vergrösserbar ist.

9. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laval-Treibdüse (5) über eine Wärmetransportmedium Wärme vom räumlich getrennten Brenner (16) zugeführt wird.

10. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmedium der unter Hochdruck stehende Treibdampf ist, welcher über einen Wärmetauscher (31) am Brenner (17) Wärme aufnimmt und diese über Leitungen (28) an den Wärmetauscher (27) an der Treibdüse (5) abgibt, um sodann über eine weitere Leitung (25) in den Treibdampfanschluss (1) der Laval-Treibdüse (5) zu münden.

11. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Megatron (21) Mikrowellen von aussen in die Laval-Treibdüse (5) sendet und dermassen den Dampf erhitzt.

12. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach einem der vorgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme der Turbine (18) oder auch ohmsche Heizglieder zur Erhitzung des Dampfes in der Laval-Treibdüse (5) verwendet werden. Siegfried Nagel Unterbach 1111 A - 6863 Egg

Patentansprüche :

5. Hochdruck-Dampfstrahlpumpe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Düsenkörper (5) zu den Brennerwandungen (17) eine Wärmeleitverbindung (4) hergestellt ist, um den Dampf in der LavalTreibdüse (5) aufzufrischen.

NACHGEREICHT <EMI ID=11.1>