BE1020556A5

BE1020556A5 - Inrichting en werkwijze voor het opwekken van elektrische stroom.

Info

Publication number: BE1020556A5
Application number: BE2012/0705A
Authority: BE
Inventors: Sander Mollet
Original assignee: Smo Bvba
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-12-03
Also published as: WO2014060961A1

Description

INRICHTING EN WERKWIJZE VOOR HET OPWEKKEN VAN ELEKTRISCHE STROOM TECHNISCH VELD

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar, op een werkwijze voor het aanmaken van stoom en op een gebruik van een microstoomturbine voor het genereren van elektrische stroom.

In het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een inrichting voor het genereren van elektrische stroom door een microstoomturbine waarbij de turbine voorzien is van slechts één enkel schoepenwiel.

ACHTERGROND

Stoomturbines zijn algemeen bekend in hun klassieke hoedanigheid voor het opwekken van elektrische stroom uit stoom die bekomen wordt door het opwarmen van water tot stoom door middel van fossiele brandstoffen. Door hun omvang en kostprijs kunnen stoomturbines niet ingezet worden voor lokaal gebruik, doch kunnen zij enkel in daartoe voorziene energiecentrales worden aangewend.

Daardoor kent het gebruik van microstoomturbines steeds meer ingang. Dergelijke microstoomturbines voorzien in lokale stroomvoorziening bijvoorbeeld voor ingebruikname in afgelegen gebieden of lokale stroomproductie. Het inzetten van microstoomturbines voor lokale toepassingen vereist dat de dimensies klein zijn zodat de vereiste ruimte die in beslag genomen wordt beperkt blijft of zodat zij gemakkelijk via beschikbare transportwijzen op de gewenste plaats kunnen worden gebracht. De hiertoe benodigde schaalverkleining leidt echter tot belangrijke energieverliezen en de kosten voor ontwikkeling en productie van dergelijke stoomturbines zijn daarenboven relatief hoog, waardoor de competitiviteit van dergelijke systemen beperkt is ten opzichte van op de markt aanwezige alternatieven. De meeste microstoomturbines zijn bijgevolg nog steeds relatief groot en duur waardoor hun inzetbaarheid beperkt is.

EP2203629 beschrijft een microturbine systeem voor elektriciteitsopwekking op basis van een dubbel schoepenwiel gekoppeld aan een generator. Het schoepenwiel vormt echter een substantieel deel van de kostprijs van dergelijke microturbine systemen en het gebruik van twee schoepenwielen in één microturbine draagt dan ook substantieel bij tot de totale kostprijs van de inrichting. Daarenboven wordt het om deze reden onmogelijk om de schoepenwielen en -bladen van dergelijke turbines fluïdodynamisch te gaan optimaliseren. Dergelijke optimalisatie is nochtans wenselijk gezien een belangrijk deel van de energieverliezen die in dergelijke systemen optreden het gevolg zijn van turbulente stroming ter hoogte van de schoepenbladen. De drukkende kostprijs limiteert verder ook de materiaalkeuze wanneer men tegenover technisch uitdagende omstandigheden komt te staan zoals hoge druk en temperatuur, corrosieproblemen, en dergelijke.

EP1930567 beschrijft een microturbine voor het opwekken van elektrische stroom uit industriële restgassen. Dergelijke microturbine vereist slechts één schoepenwiel, doch de noodzaak van de beschikbaarheid van industriële restgassen beperkt de inzetbaarheid van dergelijke inrichting voor lokale toepassingen. Daarenboven is het ook te verwachten dat het gebruik van een turbine met slechts één schoepenwiel een elektrisch vermogen kan leveren dat maximaal 50% is tegenover het elektrische vermogen geleverd door een opstelling met twee schoepenwielen.

Er is dus nood aan een inrichting die lokaal inzetbaar is, eenvoudig getransporteerd kan worden en waarvan het schoepenblad gemakkelijk te dimensioneren en optimaliseren is zonder dat de kostprijs de competitiviteit van de microstoomturbine limiteert.

SAMENVATTING

De onderhavige uitvinding voorziet in een oplossing voor bovengenoemde technische problemen door te voorzien in een microturbine die slechts één schoepenwiel (1) vereist en waarbij stoom wordt opgewekt teneinde de microturbine aan te drijven en zo elektriciteit op te wekken.

Tot dit doel verschaft de uitvinding een inrichting voor het opwekken van elektrische stroom omvattende een schoepenwiel (1), een rotor, een stator gemonteerd rondom de rotor met voorzieningen voor aansluiting op een elektrisch netwerk, een behuizing die twee kamers omvat, een eerste kamer (20) met daarin genoemd schoepenwiel (1) en voorzieningen voor stoominlaat en stoomuitlaat en een tweede kamer (21) met daarin genoemde rotor en genoemde stator en een as (19) die draaibaar is opgesteld in de behuizing waarop het schoepenwiel (1) en de rotor zijn gemonteerd, met het kenmerk dat de rotor kan worden aangedreven door één schoepenwiel (1) waarbij genoemde rotor en schoepenwiel (1) zich in twee kamers bevinden die in fluïdumverbinding staan met elkaar, waarbij de twee kamers fluïdaal afgesloten zijn van de omgeving en waarbij de verhouding van lengte tot breedte van de individuele schoepenbladen (18) van het schoepenwiel (1) zich bevindt tussen 0.25 en 4.

Verder voorziet de onderhavige uitvinding in een inrichting zoals hierboven beschreven, waarbij de genoemde inrichting aangesloten kan worden op een verbrandingseenheid voor brandstoffen van biologische oorsprong dewelke stoom kan leveren.

Verder voorziet de onderhavige uitvinding in een inrichting zoals hierboven beschreven, waarbij het genoemde schoepenwiel (1) een veelheid aan schoepenbladen (18) omvat die radiaal rondom een as kunnen worden gepositioneerd en waarbij minstens één van de individuele schoepenbladen (18) van het genoemde schoepenwiel (1) een tweedimensionale structuur heeft.

De onderhavige uitvinding voorziet eveneens in een inrichting zoals hierboven beschreven, waarbij het genoemde schoepenwiel (1) een veelheid aan schoepenbladen (18) omvat die radiaal rondom een as kunnen worden gepositioneerd en waarbij minstens één van de individuele schoepenbladen (18) van het genoemde schoepenwiel (1) een driedimensionale structuur heeft.

De uitvinder realiseerde zich dat het op deze wijze mogelijk wordt om de energieverliezen ter hoogte van de schoepenbladen (18) die het gevolg zijn van turbulentie te reduceren en de energie-efficiëntie van de microstoomturbine te verhogen. Daarenboven wordt door het gebruik van slechts één schroevenblad de kostprijs van de inrichting in die mate verlaagd dat het gebruik van een schoepenwiel (1) waarbij de individuele schoepenbladen (18) fluïdodynamische geoptimaliseerd zijn verantwoord kan worden zonder dat de competitiviteit van de inrichting ten opzichte van alternatieve microstoomturbine in het gedrang komt.

Door te voorzien in een verbrandingseenheid op basis van brandstoffen van biologische herkomst, zoals bijvoorbeeld maar niet gelimiteerd tot hout, wordt het mogelijk stoom aan te maken vertrekkende van water.

BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN

De expliciete karakteristieken, voordelen en objectieven van de onderhavige uitvinding zullen verder duidelijk worden voor de vakman in het technisch veld van de uitvinding na lezen van de hier volgende gedetailleerde beschrijving van de uitvoeringsvorm van de uitvinding en van de figuren hierin bijgesloten.

Figuur 1 toont de verschillende aanzichten van de microstoomturbine volgens een geprefereerde uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding met de verschillende onderdelen gemonteerd zoals gebruikelijk in de werkzame toestand.

Figuur 2 toont de verschillende aanzichten van het schoepenwiel (1) volgens een eerste aspect van de onderhavige uitvinding.

Figuur 3 toont de verschillende aanzichten van de straalbuis (3) volgens een eerste aspect van de onderhavige uitvinding.

Figuur 4 toont de verschillende aanzichten van de straalbuishouder (4) volgens een eerste aspect van de onderhavige uitvinding.

Figuur 5 toont de verschillende aanzichten van het inlaathuis (5) volgens een eerste aspect van de onderhavige uitvinding.

Figuur 6 toont de verschillende aanzichten van de het uitlaathuis (6) volgens een eerste aspect van de onderhavige uitvinding.

Figuur 7 is een grafische voorstelling van het verband tussen de invalshoek uitgedrukt in ° op de x-as en het geleverde vermogen op de y-as.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING VAN DE UITVINDING

Tenzij anders vermeld, dienen alle termen die in de beschrijving van de uitvinding worden gebruikt, met inbegrip van technische en wetenschappelijke termen, te worden begrepen zoals deze verstaan zouden worden door de vakman in het technisch veld van de uitvinding.

De voorbeelden die worden aangehaald dienen ter verduidelijking van de opstelling, werkwijze en systemen van de onderhavige uitvinding en kunnen niet begrepen worden als een beperking van de uitvinding.

In een eerste aspect verschaft de uitvinding een inrichting voor het opwekken van elektrische stroom omvattende een schoepenwiel (1), een rotor, een stator gemonteerd rondom de rotor met voorzieningen voor aansluiting op een elektrisch netwerk of andersom, een behuizing die twee kamers omvat, een eerste kamer (20) met daarin genoemd schoepenwiel (1) en voorzieningen voor stoominlaat en stoomuitlaat en een tweede kamer (21) met daarin genoemde rotor en genoemde stator en een as (19) die draaibaar is opgesteld in de behuizing waarop het schoepenwiel (1) en de rotor zijn gemonteerd, met het kenmerk dat de rotor kan worden aangedreven door één schoepenwiel (1) waarbij genoemde rotor en schoepenwiel (1) zich in twee kamers bevinden die in fluïdumverbinding staan met elkaar, waarbij de twee kamers fluïdaal afgesloten zijn van de omgeving en waarbij de verhouding van lengte tot breedte van de individuele schoepenbladen (18) van het schoepenwiel (1) zich bevindt tussen 0.25 en 4.

Dit heeft als voordeel dat in een microstoomturbine wordt voorzien die in kleine dimensies kan worden vervaardigd en een laag gewicht heeft. Aldus wordt een compacte microstoomturbine bekomen die in diverse systemen geïntegreerd kan worden.

In een voorkeursuitvoering van de onderhavige uitvinding zijn de eerste kamer (20) en de tweede kamer (21) in fluïdumverbinding met elkaar. Dit heeft als bijkomende voordeel dat de belasting die op de as (19) van de microstoomturbine zou komen te liggen als gevolg van een drukverschil in beide kamers, wordt vermeden. Dit draagt bij tot de levensduur en de bedrijfszekerheid van de microstoomturbine.

Het optimaliseren van de verhouding van lengte tot breedte van minstens één van de individuele schoepenbladen (18) van het schoepenwiel (1) heeft als voordeel dat de schoepenbladen (18) gedimensioneerd kunnen worden in die mate dat de energieverliezen die optreden als gevolg van turbulente stromingspatronen ter hoogte van het schoepenwiel (1) beperkt kunnen worden.

Bij een te lage verhouding, bijvoorbeeld kleiner dan 0.25, betekent dit dat de schoepbladen (18) te breed zijn. In dergelijk geval wordt de invalshoek te groot waardoor de efficiëntie van de energieoverdracht vermindert, zoals kan worden afgeleid uit Figuur 7. Bij een te hoge verhouding, bijvoorbeeld hoger dan 4, daalt de efficiëntie van de energieoverdracht omdat de stoom over een te grote lengte van het schoepenblad (18) moet aangrijpen.

Doordat de twee kamers fluïdaal zijn afgesloten van de omgeving wordt vermeden dat lekken van de kamers naar de omgeving optreden waardoor het rendement van de microstoomturbine zou verminderen.

In een voorkeursuitvoering is de behuizing van de microstoomturbine vervaardigd uit een hittebestendig materiaal, zoals, maar niet beperkt tot roestvrij staal, aluminium of aluminium legeringen.

Dit heeft als voordeel dat de microstoomturbine bestendig is tegen de hoge mechanische belasting en temperaturen aan dewelke zij wordt blootgesteld tijdens de operationele toestand van de inrichting, wat de duurzaamheid van de microstoomturbine ten goede komt. Daardoor kan de microstoomturbine langer in bedrijf blijven.

In een voorkeursuitvoering heeft de behuizing van de microstoomturbine een diameter van minder dan 1000 mm. Meer bij voorkeur heeft de behuizing van de microstoomturbine een diameter van minder dan 500 mm. Meest bij voorkeur heeft de behuizing van de microstoomturbine een diameter van minder dan 250 mm.

Dit heeft als voordeel dat de microturbine zeer compact is en gemakkelijke geïntegreerd kan worden in diverse systemen.

In een voorkeursuitvoering voorziet de uitvinding in een inrichting waarbij de genoemde inrichting aangesloten kan worden op een verbrandingseenheid voor brandstoffen van biologische oorsprong dewelke stoom kan leveren.

Onder brandstoffen van biologische oorsprong kan worden begrepen, maar niet beperkt tot, hout, hout pellets, pellets van biomassa, etc.

In een voorkeursuitvoering kan de verbrandingseenheid een vermogen leveren tussen 1 W en 100 kW leveren, bij voorkeur tussen 500 W en 50 kW, meer bij voorkeur tussen 1 kW en 25 kW.

In een verbrandingseenheid wordt stoom aangemaakt door verbranding van brandstoffen van biologische oorsprong. De warmte die bij de verbrandingsreactie vrijkomt wordt in een warmtewisselaar overgedragen aan gedemineraliseerd water.

In een voorkeursuitvoering is het debiet gedemineraliseerd water, hetwelk in de verbrandingseenheid wordt omgezet in stoom, vervat tussen 1 kg/uur en 250 kg/uur. Meer bij voorkeur is het debiet gedemineraliseerd water vervat tussen 5 kg/uur en 100 kg/uur. Meest bij voorkeur is het debiet gedemineraliseerd water vervat tussen 15 kg/uur en 25 kg/uur.

In een voorkeursuitvoering is de druk van de stoom die wordt verkregen na verhitting van gedemineraliseerd water in de verbrandingseenheid gelegen tussen 1 bar absolute druk en 15 bar absolute druk. Meer bij voorkeur is de bekomen druk van de stoom gelegen tussen 4 bar absolute druk en 7 bar absolute druk. Meest bij voorkeur is de bekomen druk van de stoom gelegen tussen 5 bar absolute druk en 5,5 bar absolute druk.

Door het werken bij relatief lage drukken zoals in de bovenstaande paragraaf wordt omschreven, kan de microstoomturbine eenvoudig in diverse systemen geïntegreerd worden.

In een voorkeursuitvoering is de temperatuur van de stoom die wordt verkregen na verhitting van gedemineraliseerd water in de verbrandingseenheid gelegen tussen 125°C en 300°C. Meer bij voorkeur is de bekomen temperatuur van de stoom gelegen tussen 175°C en 250°C. Meest bij voorkeur is de bekomen druk van de stoom gelegen tussen 195°C en 205°C.

Het werken met oververhitte stoom brengt een aantal voordelen met zich mee. Bij isentrope expansie van verzadigde stoom bekomt men een te hoog vochtgehalte die een ontoelaatbare corrosie zou veroorzaken in de turbine, voornamelijk in het schoepenwiel (1). Door gebruik te maken van oververhitte stoom zoals in de bovenstaande paragrafen wordt omschreven, stijgt het vochtgehalte na expansie niet in die mate dat het maximaal toelaatbare vochtgehalte overschrijden wordt.

De aldus verkregen stoom verlaat de verbrandingseenheid en wordt via daartoe voorziene leidingen naar de microstoomturbine geleid.

Figuur 1 geeft een overzicht van de verschillende aanzichten van de microstoomturbine. In Figuur l.A wordt een dwarsdoorsnede A-A afgebeeld met aanduiding van het schoepenwiel (1), de ring van het schoepenwiel (2), de inlaatbuis (5), de uitlaatbuis (6) en de generator (8). In Figuur l.B wordt een detail van dwarsdoorsnede A-A weergegeven van de afbeelding in Figuur l.A, met aanduiding van afdichtingsring (7) en klemelement (9). In Figuur l.C wordt een weergave getoond van een dwars doorgesneden microturbine in perspectief. In Figuur l.D wordt een zijaanzicht getoond van de microturbine. In Figuur l.E wordt een bovenaanzicht weergegeven. In Figuur l.F wordt een dwarsdoorsnede C-C van onderaanzicht weergegeven met aanduiding van de straalbuis (3) en de straalbuishouder (4). In Figuur l.G wordt een perspectief van de inrichting getoond met aanduiding van de eerste kamer (20) en de tweede kamer (21).

Figuur 2 geeft een detailweergave van het schoepenwiel (1). In Figuur 2.A wordt een zijaanzicht geboden van een dwarsdoorsnede A-A met aanduiding van de afmetingen uitgedrukt in mm. In Figuur 2.B wordt een bovenaanzicht op het schoepenwiel (1) weergegeven. De afbeelding in Figuur 2.C geeft een zijaanzicht op het schoepenwiel (1) weer. In Figuur 2.D wordt een detail B van het zijaanzicht van het schoepenwiel (1) weergegeven met weergave van de afmetingen uitgedrukt in mm.

De ingangssnelheid waarmee de stoom het schoepenwiel (1) bereikt, wordt voornamelijk bepaald door het drukverlies over de straalbuis (3). De relatieve stoomsnelheid wordt bepaald door de ingangssnelheid, welke bepaald wordt door de factoren die in bovenstaande paragrafen besproken zijn, en de omtreksnelheid van het schoepenwiel (1). Deze omtreksnelheid wordt bepaald door het toerental en de diameter van het schoepenwiel (1).

In een voorkeursuitvoering bedraagt het toerental van het schoepenwiel (1) tussen 5.000 toeren per minuut en 120.000 toeren per minuut. Meer bij voorkeur bedraagt het toerental van het schoepenwiel (1) tussen 10.000 toeren per minuut en 50.000 toeren per minuut. Meest bij voorkeur bedraagt het toerental van het schoepenwiel (1) tussen 25.000 toeren per minuut en 40.000 toeren per minuut.

In een voorkeursuitvoering bedraagt de diameter van het schoepenwiel (1) tussen 25 mm en 500 mm. Meer bij voorkeur bedraagt de diameter van het schoepenwiel (1) tussen 150 mm en 250 mm. Meest bij voorkeur bedraagt de diameter van het schoepenwiel (1) tussen 190 mm en 210 mm.

Aan de hand van deze parameters kunnen de hoeken en vectoren worden bepaald waaronder de stoom doorheen de schoepbladen (18) stroomt door de vakman die technisch is geschoold in het vakgebied. De schoep is zodanig geconstrueerd dat de relatieve invalshoek ervoor zorgt dat de stoom de ruimte tussen de schoepbladen (18) kan binnentreden. Op deze wijze oefent de stoom een kracht uit op de schoepbladen (18) waarvan de tangentiële component het schoepenwiel (1) doet draaien.

In een voorkeursuitvoering is de doorsnede van de straalbuis (3) zo gekozen dat de doorsnede van de straalbuis (3) tussen 2 en 20 schoepbladen (18) bestrijkt. Meer bij voorkeur is de doorsnede van de straalbuis (3) zo gekozen dat de doorsnede van de straalbuis (3) tussen 5 en 10 schoepbladen (18) bestrijkt. Meest bij voorkeur is de doorsnede van de straalbuis (3) zo gekozen dat de doorsnede van de straalbuis (3) tussen 7 en 9 schoepbladen (18) bestrijkt.

Dit heeft als voordeel dat de kracht die de stoom uitoefent op het schoepenwiel (1) zo efficiënt mogelijk over de omtrek van het schoepenwiel (1) wordt verdeeld.

In een voorkeursuitvoering is het aantal schoepbladen (18) die gepositioneerd zijn rond de as van het schoepenwiel (1) vervat tussen 15 en 200 schoepen. Meer bij voorkeur is het aantal schoepbladen (18) die gepositioneerd zijn rond de as van het schoepenwiel (1) vervat tussen 50 en 100 schoepen. Meest bij voorkeur is het aantal schoepbladen (18) die gepositioneerd zijn rond de as van het schoepenwiel (1) vervat tussen 74 en 80 schoepen.

In een voorkeursuitvoering heeft de microstoomturbine één schoepenwiel (1), waarbij het genoemde schoepenwiel (1) een veelheid aan schoepenbladen (18) omvat die radiaal rondom een as kunnen worden gepositioneerd en waarbij minstens één van de individuele schoepenbladen (18) van het genoemde schoepenwiel (1) een tweedimensionale structuur heeft.

Dit heeft als voordeel dat de schoepenbladen (18) gedimensioneerd kunnen worden in die mate dat de energieverliezen die optreden als gevolg van turbulente stromingspatronen ter hoogte van het schoepenwiel (1) beperkt kunnen worden.

In een voorkeursuitvoering heeft de microstoomturbine één schoepenwiel (1), waarbij het genoemde schoepenwiel (1) een veelheid aan schoepenbladen (18) omvat die radiaal rondom een as kunnen worden gepositioneerd en waarbij minstens één van de individuele schoepenbladen (18) van het genoemde schoepenwiel (1) een driedimensionale structuur heeft.

Figuur 3 biedt een weergave van een straalbuis (3). In Figuur 3.A wordt het bovenaanzicht op de straalbuis (3) weergegeven met aanduiding van de doorsnede van de opening ter hoogte van het oppervlak van de dekplaat (12) en van de doorsnede ter hoogte van de vernauwing in de straalbuis (3). In Figuur 3.B wordt een dwarsdoorsnede van de straalbuis (3) weergegeven met daarop de aanduiding van de afmetingen in mm en de centrale uitsparing met vernauwing. In Figuur 3.C wordt een onderaanzicht van de straalbuis (3) weergegeven met de afmetingen in mm.

In een voorkeursuitvoering voorziet de uitvinding in een microstoomturbine, waarbij de straalbuis (3) in het inlaathuis (5) binnentreedt en waarbij de as van de straalbuis (3) een hoek maakt met het vlak van de dekplaat van het inlaathuis (12), die een invalshoek wordt genoemd en die bij voorkeur gelegen is tussen 5° en 30°. Meer bij voorkeur is de invalshoek gelegen tussen 10° en 20°. Meest bij voorkeur is de invalshoek gelegen tussen 13° en 17°.

De invalshoek waaronder de stoom in het schoepenwiel (1) wordt ingeblazen is van groot belang. Figuur 7 is een grafische voorstelling van het verband tussen de invalshoek uitgedrukt in ° op de x-as en het geleverde vermogen op de y-as. Optimaal bedraagt deze hoek nul graden maar omdat het fysisch niet mogelijk is om de stoom onder een dergelijk kleine hoek in het schoepenwiel (1) in te blazen wordt een invalshoek gekozen groter dan 0°, bv. 1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 7°, 8°, 9°, 10°, 11°, 12°, 13°, 14°, 15°, 16°, 17°, 18°, 19°, 20°, 21°, 22°, 23°, 24°, 25°, 26°, 27°, 28°, 29°, 30°, of een hoek daartussenin.

De ontworpen microstoomturbine is een axiale gelijkdrukturbine waarbij de druk zo volledig mogelijk wordt omgezet in snelheid in één of meerdere straalbuizen. Ter hoogte van de minimale doorsnede van de convergerend-divergerende straalbuis (3) bereikt de stoom de geluidssnelheid. Het gebruik van meerdere straalbuizen zorgt ervoor dat de turbine beter in balans blijft waardoor onnodige trillingen worden voorkomen. Dit draagt op zijn beurt bij tot de duurzaamheid van de inrichting. In dit ontwerp ging de keuze uit naar twee straalbuizen om onnodige moeilijkheden bij het vervaardigen van deze componenten te vermijden. Bij een stijgend aantal straalbuizen (3) dient de doorsnede immers kleiner te worden gedimensioneerd. Figuur 3 toont een dwarsdoorsnede van de ontworpen straalbuis (3) waarbij de minimale diameter van de straalbuis (3) van fundamenteel belang is voor de werkingsomstandigheden van de inrichting. Deze parameter varieert immers wanneer inlaatvoorwaarden van de stoom gewijzigd worden. De straalbuis (3), waarin de enthalpie van de oververhitte stoom wordt omgezet naar kinetische energie, mondt uit in het inlaathuis (5) waar een veel lagere druk heerst.

In een voorkeursuitvoering voorziet de onderhavige uitvinding in een microturbine, waarbij minstens één straalbuis (3) een lengte heeft die groter is dan 10% van de diameter van het schoepenwiel (1). Bij voorkeur heeft de straalbuis (3) een lengte groter dan 25%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% of 100% van de diameter van het schoepenwiel (1).

Dit heeft als voordeel dat een maximale instroomsnelheid bekomen wordt.

In een voorkeursuitvoering voorziet de onderhavige uitvinding in een microturbine, waarbij de schoepenbladen (18) op een dergelijke wijze gedimensioneerd dat de invalshoek minimaal is en de hoek waaronder de stoom de eerste kamer (20) verlaat en het vlak waarin het schoepenwiel (1) ligt maximaal is, bij voorkeur groter dan 75°, meer bij voorkeur groter dan 85°, meest bij voorkeur 90°.

Dit heeft als voordeel dat de tangentiële kracht uitgeoefend of het schoepenwiel door de stoom maximaal is en energieverliezen ten gevolge van turbulentiefenomenen worden gereduceerd.

In een voorkeursuitvoering wordt de stoom doorheen de turbine adiabatisch uitgevoerd. Daarmee wordt bedoeld dat de druk en de thermodynamische toestand van de stoom nagenoeg constant blijft. Om een optimaal rendement te bekomen wordt het inlaathuis (5) aan de uitgang vacuüm gezogen. Dit zorgt voor een onderdruk van minstens 0,1 bar in het inlaathuis (5). Om deze reden moet het inlaathuis (5) luchtdicht worden afgesloten van de atmosfeer.

De kinetische energie van de stoom afkomstig van de straalbuis (3) wordt in het schoepenwiel (1) omgezet in arbeid.

Figuur 4 geeft een schematische voorstelling van de straalbuishouder (4). In Figuur 4.A wordt een bovenaanzicht van de straalbuishouder (4) weergegeven. In Figuur 4. B wordt een dwarsdoorsnede A-A weergegeven met aanduiding van de afmetingen in mm. Links onderaan wordt de straalbuishouder (4) in perspectief weergegeven. In Figuur 4.C wordt de straalbuishouder (4) in perspectief weergegeven.

Figuur 5 geeft een schematische voorstelling van de verschillende aanzichten van het inlaathuis (5) met de verschillende afmetingen weergegeven in mm. In Figuur 5. A wordt een bovenaanzicht van het inlaathuis (5) weergegeven met daarbij de aansluitingen voor de inlaatbuis (14) en de uitlaatbuis (6). In Figuur 5.B wordt een dwarsdoorsnede B-B afgebeeld van het inlaathuis (5). In Figuur 5.C is een schematische voorstelling van een zijaanzicht van het inlaathuis (5). In Figuur 5.D is een onderaanzicht van het inlaathuis (5) weergegeven. In Figuur 5.E is een dwarsdoorsnede A-A weergegeven van het inlaathuis (10). In Figuur 5.F wordt een dwarsdoorsnede D-D van de uitsparing van het inlaathuis (5) in de dekplaat van het inlaathuis (12) weergegeven waarbij de as van de inlaatbuis en het vlak van de dekplaat van het inlaathuis (12) een hoek maken, die de invalshoek genoemd wordt. In Figuur 5.G wordt een perspectief weergegeven van de dekplaat van het inlaathuis (12). In Figuur 5.H is een schematische detailvoorstelling C van een zijaanzicht weergegeven van het centrale deel van het inlaathuis (5). In Figuur 5.1 is een schematische detailvoorstelling E van een onderaanzicht van het inlaathuis (5).

Figuur 6 geeft een schematische voorstelling van het uitlaathuis (6). In Figuur 6.A wordt een bovenaanzicht van het uitlaathuis (6) weergegeven. In Figuur 6.B is een weergave van een dwarsdoorsnede A-A van het uitlaathuis (6). In Figuur 6.C worden de aansluitingen voor de uitlaatbuis (15) aangegeven. In Figuur 6.D wordt een doorsnede C-C weergegeven van het uitlaathuis (6).

In een voorkeursuitvoering is het schoepenwiel (1) omgeven door een ring (2) die ervoor zorgt dat de stoom die tussen de schoepbladen (18) stroomt, niet naar buiten wordt gedrukt ten gevolge van de middelpuntvliedende kracht. Deze ring (2) dient met een voorspanning op het schoepenwiel (1) geperst te worden.

In een voorkeursuitvoering is in het uitlaathuis (6) een kamer voorzien waar de reststoom, dit is de stoom die na het verlaten van het schoepenwiel (1) de uitlaat nog niet heeft bereikt, ongehinderd kan circuleren (Figuur 6).

Dit heeft als voordeel dat de weerstand die optreedt tussen het schoepenwiel (1) en de stoom wordt gereduceerd, wat uiteindelijk het rendement van de energieoverdracht ten goede komt.

Het schoepenwiel (1) is op een as (19) gemonteerd die in rechtstreekse verbinding staat met de generator (8). Deze generator (8) bestaat in zijn klassieke uitvoeringsvorm uit een rotor die op een mechanische as (19) is gemonteerd met behulp van een klemelement (9) en een stator die rondom de rotor is geplaatst. De rechtstreekse verbinding tussen schoepwiel (1) en generator (8) biedt als voordeel dat er geen extra verliezen kunnen optreden.

Op deze wijze wordt een wisselstroom opgewekt die gekarakteriseerd wordt door een variabele frequentie. Deze wisselstroom kan via een bruggelijkrichter omgezet worden in een gelijkstroom. Door middel van middelen die in de stand van de techniek bekend zijn, kan de laatstgenoemde gelijkstroom omgezet worden in een elektrisch signaal met de geschikte spanning en frequentie, bij voorkeur overeenstemmend met de lokale netspanning en -frequentie.

In een voorkeurs uitvoering is de generator (8) fluïdaal afgesloten van de omgeving.

Dit heeft als voordeel dat fluïdale energieverliezen die het gevolg zijn van het lekken van fluïdum naar de omgeving worden vermeden.

In een voorkeursuitvoering is de generator (8) voorzien van een koelelement.

Dit heeft als voordeel dat het rendement van de generator (8) wordt geoptimaliseerd, voornamelijk in gevallen waar het rendement van de generator (8) sterk afhankelijk is van de temperatuur.

Claims

1. Een inrichting voor het opwekken van elektrische stroom omvattende een schoepenwiel (1), een rotor, een stator gemonteerd rondom de rotor met voorzieningen voor aansluiting op een elektrisch netwerk, een behuizing die twee kamers omvat, een eerste kamer (20) met daarin genoemd schoepenwiel (1) en voorzieningen voor stoominlaat en stoomuitlaat en een tweede kamer (21) met daarin genoemde rotor en genoemde stator en een as (19) die draaibaar is opgesteld in de behuizing waarop het schoepenwiel (1) en de rotor zijn gemonteerd, met het kenmerk dat de rotor kan worden aangedreven door één schoepenwiel (1) waarbij genoemde rotor en schoepenwiel (1) zich in twee kamers bevinden, waarbij de twee kamers fluidaal afgesloten zijn van de omgeving en waarbij de verhouding van lengte tot breedte van de individuele schoepenbladen (18) van het schoepenwiel (1) zich bevindt tussen 0.25 en 4.

2. Een inrichting volgens conclusies 1, waarbij de genoemde inrichting aangesloten kan worden op een verbrandingseenheid voor brandstoffen van biologische oorsprong dewelke stoom kan leveren.

3. Een inrichting volgens één der voorgaande conclusies 1-2, waarbij het genoemde schoepenwiel (1) een veelheid aan schoepenbladen (18) omvat die radiaal rondom een as (19) kunnen worden gepositioneerd en waarbij minstens één van de individuele schoepenbladen (18) van het genoemde schoepenblad (18) een tweedimensionale structuur heeft.

4. Een inrichting volgens één der voorgaande conclusies 1-3, waarbij het genoemde schoepenwiel (1) een veelheid aan schoepenbladen (18) omvat die radiaal rondom een as kunnen worden gepositioneerd en waarbij minstens één van de individuele schoepenbladen (18) van het genoemde schoepenblad (18) een driedimensionale structuur heeft.

5. Een inrichting volgens één der voorgaande conclusies 1-4, waarbij de straalbuis (3) in het inlaathuis (5) binnentreedt en waarbij de as van de straalbuis (3) een hoek maakt met het vlak van de dekplaat van het inlaathuis (12), die een invalshoek wordt genoemd en die bij voorkeur gelegen is tussen 5° en 30°.

6. Een inrichting volgens één der voorgaande conclusies 1-5, waarbij genoemde eerste kamer (20) voorzien is van minstens één stoominlaat en minstens,één stoomuitlaat.

7. Een inrichting volgens één der voorgaande conclusies 1-6, waarbij de genoemde behuizing een diameter heeft van minder dan 750 mm.

8. Een inrichting volgens één der voorgaande conclusies 1-7, waarbij de behuizing vervaardigd is uit hittebestendig materiaal zoals, maar niet beperkt tot, roestvrij staal, aluminium of aluminium legeringen.

9. Een inrichting volgens een der voorgaande conclusies 1-8, waarbij de inrichting zo gedimensioneerd is dat het geleverde elektrisch vermogen van de inrichting in operationele toestand ligt tussen 1 W en 100 kW, bij voorkeur tussen 500 W en 50 kW, meer bij voorkeur tussen 1 kW en 25 kW.

10. Een inrichting volgens een der voorgaande conclusies 1-9, waarbij genoemde stoominlaat van de eerste kamer (20) aangesloten kan worden aan een uitgang van een inrichting voor het opwekken van oververhitte stoom.

11. Een systeem voor het opwekken van elektrische stroom uit oververhitte stoom waarbij in een inrichting wordt voorzien zoals beschreven in conclusie 1 en het systeem omvattende een verbrandingseenheid waarbij de stoom opgewekt kan worden in de verbrandingseenheid.

12. Een werkwijze voor het opwekken van elektrische stroom waarbij oververhitte stoom wordt aangemaakt in een verbrandingseenheid, genoemde oververhitte stoom via een stoominlaat naar een eerste kamer (20) met schoepenwiel (1) wordt geleid, genoemde oververhitte stoom het genoemde schoepenwiel (1) in een rotationele beweging brengt, genoemde stoom de eerste kamer (20) verlaat via een stoomuitlaat, de rotationele kinetische energie van het schoepenwiel (1) via een mechanische as (19) rechtstreeks wordt overgebracht naar een rotor die zich in een tweede kamer (21) bevindt, de rotationele kinetische energie van de rotor door middel van een stator omgezet wordt in elektrische energie en de elektrische energie door middel van elektrische aansluitingen naar een elektrisch netwerk kan worden getransporteerd met het kenmerk dat de eerste (20) en tweede kamer (21) in fluïdumverbinding staan met elkaar.

13. Een werkwijze volgens conclusie 12, waarbij de oververhitte stoom bekomen wordt na opwarming van water door verbranding van brandstoffen van biologische oorsprong.

14. Een werkwijze volgens conclusie 12, waarbij de opgewekte energie gebruikt wordt voor huishoudelijke of industriële doeleinden, zoals in een woonst, een flatgebouw, een hotel, een school, een schip, een kleine of middelgrote onderneming.