CH706296A2 - Integrale Dampfkraftanlage. - Google Patents

Abstract

Die hier beschriebene Erfindung betrifft eine integrale Dampfkraftanlage zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie. Sie besteht aus einem Stator (2), der in sich im Wesentlichen eine Wärmezufuhrkammer (3), eine Verdampfungskammer (4) sowie eine Kondensationskammer (10) umfasst. Der Stator umgibt einen Rotor (9), wesentlich bestehend aus einer Rotorwelle (12), auf welcher ein Turbinenlaufrad (13) und ein Multifunktionslaufrad (25) sowohl zur Zu- und Abfuhr des Kühlmittels (21) wie auch zum Antrieb der Fördereinheit (6) für das Arbeitsmedium (5) angeordnet sind. Die hier beschriebene Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie allein mittels Zufuhr von thermischer Energie durch die Wärmezufuhrkammer selbstanlaufend ist und während des Betriebs die Kühlung des Kondensators sowie den Antrieb der Fördereinheit für das Arbeitsmedium ohne Inanspruchnahme weiterer externer Energiequellen eigenständig leistet.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die hier beschriebene Erfindung betrifft eine integrale Dampfkraftanlage zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie, gekennzeichnet durch eine Dampfturbine, die strukturell mit einem Verdampfer und einem Kondensator kombiniert ist. Die hier beschriebene Erfindung betrifft ferner ein auf der Rotorwelle der Dampfturbine befindliches Multifunktionslaufrad zur Zu- und Abfuhr des Kühlmittels sowie zum Antrieb der Fördereinheit für das Arbeitsmedium.

Stand der Technik

[0002] Die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie mittels einer Dampfkraftanlage (z. B. Dampfturbinenanlage), beispielsweise zum Zweck der Erzeugung von Elektrizität, gilt heutzutage als etablierte und verlässliche Technik. Aufgrund der eingesetzten Materialien sowie insbesondere aufgrund der anspruchsvollen Konstruktionsweise hat sich die Dampfturbine weitgehend nur als Grossanlage kommerziell durchsetzen können. In einer externen Dampferzeugungseinheit wird mittels Zufuhr von thermischer Energie ein flüssiges Arbeitsmedium – in den meisten Fällen Wasser – zum Verdampfen gebracht. Anschliessend wird dieser Dampf auf ein in einem Gehäuse befindliches Schaufelrad geleitet, welches zusammen mit einer konzentrischen Welle den Rotor bildet. Der Dampf strömt durch die Schaufeln des Turbinenlaufrads und versetzt dadurch den Rotor in eine Drehbewegung. Danach verlässt der Dampf das Gehäuse und wird in einem Kondensator durch Abfuhr von thermischer Energie verflüssigt und mittels einer Pumpe in die Dampferzeugungseinheit zurück gefördert. Die Hauptkomponenten Dampferzeugungseinheit, Turbine (Rotor mit Turbinenlaufrad in Gehäuse), Kondensator und Pumpe sind untereinander mit Leitungen verbunden, die meist auch noch mit Dichtungen und Ventilen versehen sind. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist nicht nur der beträchtliche Material-, Konstruktions- und Wartungsaufwand, sondern ebenso der erhebliche Raumbedarf sowie eine erhöhte Störanfälligkeit. Für Einsatzgebiete unterhalb des grosstechnischen Massstabs wird sie dadurch ökonomisch fragwürdig, auch weil dort oft ganz andere Betriebsbedingungen und Einsatzprofile vorherrschen. Gerade an kleine Anlagen (unter 10 MW) werden hohe Anforderungen hinsichtlich Flexibilität gegenüber stark schwankender Wärmezufuhr und/oder Leistungsbedarf gestellt; zugleich sollen sowohl der Aufwand für den Betrieb des Systems als auch der Wartungsaufwand so gering wie möglich sein. Um solchen Ansprüchen zu genügen, drängt sich eine Anlage mit einem hohen Grad an Autarkie und einer kompakten Bauweise auf.

[0003] Einen frühen Ansatz einer kompakten Bauweise, bei der die einzelnen Hauptkomponenten in einem gemeinsamen Gehäuse vereint sind, zeigt DE 570 322 (C) aus dem Jahre 1933. Hier bilden Verdampfer (Dampfkessel) und Turbine eine Einheit, während der Kondensator extern angeordnet ist. Die Turbine ist in diesem Fall als Aussenläufer-Rotor mit innenliegendem Stator ausgeführt. Bedingt durch den Umfang und die Masse des sich in Drehbewegung befindlichen Rotors sind erhebliche Schwingungen zu erwarten, was insbesondere beim Upscaling eine aufwendige Lagerung notwendig macht. Dadurch, dass der Rotor zugleich auch das äussere Gehäuse der Konstruktion bildet, ist eine zusätzliche Abschirmung erforderlich, um einer Verletzungsgefahr durch ein bewegliches Maschinenteil entgegen zu wirken.

[0004] Einen weiteren frühen Ansatz einer kompakten Bauweise zeigt GB 415 986 (A) aus dem Jahre 1934. Hier bilden Turbine, Generator und Kondensator eine Einheit, wobei im eigentlichen Sinne nur die Kühlung des Generators eine integrierte Funktion darstellt; der Dampf für den Antrieb der Turbine wird extern erzeugt, ebenso der Antrieb für die Zirkulation des Kühlmittels zur Kondensation des Dampfes.

[0005] Bei der explizit als chip-basierte Mikrodampfturbine dargestellten Lösung gemäss US 7 487 641 B2 aus dem Jahre 2006 bilden Turbine, Verdampfer, Kondensator, Pumpe und Generator eine Einheit, mit einem aussenliegenden Stator und einem innenliegenden Rotor. Die Kühlung des Kondensators erfolgt aber entweder über passive Wärmeabstrahlung oder muss durch eine extern angetriebene Kühlmittelströmung erwirkt werden. Als Arbeitsmedium wird gemäss Anspruch 11 ausdrücklich nur Wasser erwähnt; zudem ist es gemäss den Ansprüchen 1 bis 41 eher unwahrscheinlich, dass die besagte Mikrodampfturbine selbständig anläuft, da sich das Wasser im Ruhezustand zum allergrössten Teil im Kondensator befindet und somit nicht in Kontakt mit der Wärmezufuhr steht.

[0006] Eine weitere neuere Entwicklung zeigt US 2008 047 272 A1 aus dem Jahre 2008. Hier bilden Turbine, Verdampfer, Kondensator, Pumpe und Generator eine Einheit. Nachteilig sind dabei der rotierende Kondensator («centrifugal condensator»), was problematische Schwingungen erwarten lässt, sowie der Umstand, dass besagte Mini-Turbine nicht selbständig anläuft, weil sich im Ruhezustand das Arbeitsmedium zum allergrössten Teil im Kondensator befindet und somit nicht in Kontakt mit der Wärmezufuhr steht.

[0007] Als letzte Schrift zum Stand der Technik sei DE10 2007 037 889 (A1) aus dem Jahre 2009 erwähnt. Hier bilden Turbine, Verdampfer, Kondensator, Pumpe und Generator eine Einheit. Allerdings erfolgt der Antrieb sowohl für den Kreislauf des Arbeitsmediums wie auch für die Kühlmittelströmung von extern.

Darstellung der Erfindung

[0008] Folgende Merkmale aus dem Stand der Technik können sich als nachteilig erweisen: Erstens ist die während des Betriebs sich in Bewegung befindliche Masse zu gross im Verhältnis zur Gesamtmasse der Apparatur. Dies kann aufgrund der Massenträgheitsmomente zu Verzögerungen bei der Aufnahme des Betriebs führen. Während des Betriebs sind sowohl ein träges Ansprechverhalten auf wechselnde Energiezufuhr wie auch mögliche problematische Schwingungen zu erwarten. Letztlich ist eine grosse, sich in Bewegung befindliche Masse auch unvorteilhaft für die Energieeffizienz. Zweitens hält die Zufuhr von thermischer Energie zwar den Betrieb aufrecht, ist aber nicht hinreichende Voraussetzung zur Aufnahme des Betriebs. Dies liegt daran, dass konstruktionsbedingt das Wärmeträgermedium vor Aufnahme des Betriebs seine thermische Energie nicht an den flüssigen Vorrat des Arbeitsmediums abgeben kann; vielmehr ist der laufende Betrieb Voraussetzung dafür, dass eine Wärmeübertragung vom Wärmeträgermedium auf das Arbeitsmedium erst stattfinden kann. Deshalb ist eine dergestalt konzipierte Anlage nicht selbstanlaufend; sie erfordert nebst der Zufuhr von thermischer Energie eine weitere Massnahme, damit sie den Betrieb aufnehmen kann. Drittens kann sich die Förderung eines der Betriebsmittel (Arbeitsmedium, Kühlmittel) durch eine externe Antriebsquelle insofern als nachteilig erweisen, als sich dadurch der Betrieb einer derart konzipierten Anlage nicht allein auf die Zufuhr thermischer Energie stützt. Ein aussen liegendes, über Leitungen mit der Hauptapparatur verbundenes Hilfsaggregat ist nicht nur von einer separaten Energieversorgung abhängig, sondern bedeutet auch einen erhöhten Konstruktions- und Wartungsaufwand sowie eine erhöhte Störanfälligkeit. Jede der im Stand der Technik aufgeführten Erfindungen weist mindestens einen der soeben beschriebenen Nachteile auf. Die Absicht der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Nachteile der bisherigen technischen Entwicklung zu überwinden. Insbesondere soll durch eine geeignete Bauweise der Konstruktions- und Wartungsaufwand minimiert und ein möglichst anspruchsarmer, durch einen hohen Grad an Selbständigkeit bzw. Unabhängigkeit gekennzeichneter sowie sicherer und energieeffizienter Betrieb ermöglicht werden.

[0009] Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass die Dampfkraftanlage zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie einen Stator umfasst, der im Interesse einer höheren Energieeffizienz vorzugsweise atmosphärenseitig zumindest teilweise thermisch isoliert ist, und in dessen Innern sich ein drehend gelagerter Rotor befindet.

[0010] Der Stator umfasst in vorzugsweise konzentrischer Anordnung eine Wärmezufuhrkammer, eine Verdampfungskammer, eine erste Fördereinheit, eine erste Verbindungsvorrichtung, eine erste Leitvorrichtung, eine Entspannungskammer, eine Kondensationskammer und eine Kühlmittelzufuhrkammer. In Anwendung der Dampfkraftanlage umfasst der Stator ferner ein flüssiges erstes Arbeitsmedium.

[0011] Der Rotor umfasst in typischerweise konzentrischer Anordnung eine Rotorwelle, ein Turbinenlaufrad, ein Multifunktionslaufrad sowie ein optionales Kreiselverdichterlaufrad.

[0012] Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung der Dampfkraftanlage lassen sich die in [0008] aufgeführten Nachteile beheben, bzw. kann den dort erwähnten Anforderungen gerecht werden. Die erfindungsgemässe Dampfkraftanlage benötigt für ihren Betrieb keine externen Aggregate zur Erzeugung der Strömung des Arbeitsmediums oder des Kühlmittels. Diese Aufgaben werden vom Multifunktionslaufrad übernommen. Sie kann daher -abgesehen von den unumgänglichen Zu- und Ableitungen für Wärmeträgermedium und Kühlmittel - auf externe Leitungen (inkl. Dichtungen und Ventile) verzichten. Ausserdem ist die Anzahl ihrer beweglichen Teile vergleichsweise gering. Aufgrund des Fehlens externer Aggregate für die Strömung des Arbeitsmediums oder des Kühlmittels ist für den Betrieb der erfindungsgemässen Dampfkraftanlage nur eine einzige Energiequelle erforderlich: die thermische Energie des zugeführten Wärmeträgermediums. Weitere Energiequellen sind nicht notwendig. Da die thermische Energie aus dem Wärmeträgermedium (durch eine gemeinsame, wärmeleitende Wand hindurch) direkt auf einen Teil des flüssigen Vorrats des Arbeitsmediums übertragbar ist, sind zur Aufnahme des Betriebs keine weiteren Massnahmen (Starthilfe oder Ähnliches) erforderlich. Nicht nur die Anzahl der beweglichen Teile ist vergleichsweise gering; auch die sich während des Betriebs in Bewegung befindliche Masse ist, relativ zur Gesamtmasse der erfindungsgemässen Dampfkraftanlage, gering und beläuft sich auf deutlich unter 50 Prozent. Aus diesen Merkmalen ergibt sich eine Dampfkraftanlage, die sich aufgrund der integralen, in einander geschachtelten Anordnung ihrer Komponenten durch einen geringen Konstruktions- und Wartungsaufwand auszeichnet, wobei sich auch die Wahrscheinlichkeit von auftretenden Störungen aufgrund des Verzichts auf externe Aggregate (Leitungen mit Dichtungen und Ventilen) sowie bedingt durch die geringe Anzahl beweglicher Teile sich auf tiefstmöglichem Niveau bewegt. Es ergibt sich eine Dampfkraftanlage, die für die Aufnahme und für die Aufrechterhaltung ihres Betriebs prinzipiell nur eine einzige Energiequelle benötigt und auf eine Inanspruchnahme weiterer energetischer Hilfe verzichtet; sie ist daher mit der Zufuhr thermischer Energie aus einem Wärmeträgermedium selbstanlaufend und hält ihren Betrieb selbständig aufrecht, womit sie über ein höchstmögliches Mass an Autarkie verfügt. Da die erfindungsgemässe Dampfkraftanlage über einen Innenläufer-Rotor verfügt, ist erstens im Vergleich zu einem Aussenläufer-Rotor die thermische Isolierung zur Atmosphäre hin einfacher und zweitens kann auf eine Schutzabschirmung zur Verhinderung von Unfällen oder sonstigen mechanischen Schädigungen verzichtet werden. Insgesamt weist die erfindungsgemässe Dampfkraftanlage einen geringen in Bewegung befindlichen (oder erst in Bewegung zu versetzenden) Massenanteil auf. Dadurch können nicht nur sowohl Verschleiss und Reibungsverluste wie auch allfällig auftretende Schwingungen minimiert werden; es wird auch für die Aufnahme des Betriebs weniger Energie benötigt (weil weniger Masse in Bewegung gesetzt werden muss), und die erfindungsgemässe Dampfkraftanlage reagiert während des Betriebs flexibler auf wechselnde Energiezufuhr.

[0013] Bevorzugt umgibt die Wärmezufuhrkammer die Verdampfungskammer im Wesentlichen, wobei beide Kammern durch eine erste Wand voneinander getrennt sind. Die Wärmezufuhrkammer ist durch eine erste Eintrittsöffnung und eine erste Austrittsöffnung von einem Wärmeträgermedium durchströmbar, wodurch die Dampfkraftanlage mit thermischer Energie versorgt wird.

[0014] Alternativ kann die Wärmezufuhrkammer als Rohrregister im Innern der Verdampfungskammer ausgeführt sein, wobei das Vielfache der Rohrwandungen als die erste Wand und das Vielfache des Hohlraums im Innern der Rohre als die Wärmezufuhrkammer zu verstehen ist.

[0015] Vorzugsweise ist die thermische Energie von der Wärmezufuhrkammer mittels konvektivem Wärmetransport durch die erste Wand hindurch an das sich in der Verdampfungskammer befindliche flüssige erste Arbeitsmedium abgebbar. Dadurch verdampft das flüssige erste Arbeitsmedium zumindest teilweise, dehnt sich als Dampf zur ersten Verbindungsvorrichtung hin aus und gelangt durch diese hindurch auf die erste Leitvorrichtung. Die erste Leitvorrichtung sorgt für einen günstigen Anströmwinkel des dampfförmigen ersten Arbeitsmediums auf das Turbinenlaufrad, welches durch die Strömung des dampfförmigen ersten Arbeitsmediums, zusammen mit dem gesamten Rotor, in eine Drehbewegung versetzbar ist. Zur Optimierung des Anströmwinkels kann die Geometrie und/oder die Ausrichtung der ersten Leitvorrichtung einstellbar sein. Das Wärmeträgermedium und das verdampfte erste Arbeitsmedium strömen, getrennt durch die erste Wand, im Gegenstrom.

[0016] Vorteilhaft wird die Verdampfungskammer auf ihrer inneren, der zentralen Achse der Dampfkraftanlage zugewandten Seite durch eine zweite Wand sowohl von der ersten Leitvorrichtung, von der Entspannungskammer, wie auch von der Kondensationskammer zumindest teilweise getrennt.

[0017] Vorzugsweise ist mittels der ersten Fördereinheit das flüssige erste Arbeitsmedium durch eine erste Öffnung und eine in der zweiten Wand befindlichen zweiten Öffnung von der Kondensationskammer in die Verdampfungskammer förderbar.

[0018] Vorteilhaft gelangt das dampfförmige erste Arbeitsmedium nach Antreiben des Rotors in die Entspannungskammer, wo es seinen restlichen Druck abbaut und dadurch für ein Druckgefälle vor und nach dem Turbinenlaufrad sorgt. Durch ein sich optional auf der Rotorwelle befindliches und mit dieser mitdrehendes Kreiselverdichterlaufrad kann das dampfförmige erste Arbeitsmedium von der Entspannungskammer durch eine dritte Öffnung in der fünften Wand in die Kondensationskammer gefördert werden. Hierdurch kann der Druck in der Entspannungskammer verringert werden, was besagtes Druckgefälle erhöht; zugleich erhöht sich der Druck in der Kondensationskammer auf kleiner 0.5 MPa, was einerseits die Verflüssigung des dampfförmigen ersten Arbeitsmediums beschleunigt und andererseits den Druck über dem kondensierten ersten Arbeitsmedium erhöht, was eine Arbeitsentlastung für die erste Fördereinheit zur Folge hat.

[0019] Die erste Wand kann zugunsten der Wärmeübertragung vorzugsweise in einer Weise geformt sein, dass sie längs der Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums sowie des ersten Arbeitsmediums eine grosse Oberfläche aufweist, so dass ihr gesamter Umfang einen gedachten, bloss kreisförmigen Umfang, um einen Faktor grösser 1 übertrifft. Ausserdem besteht die erste Wand vorzugsweise aus einem Material, dessen Wärmeleitfähigkeit A einen Wert von mehr als 10 W/Km aufweist.

[0020] Bevorzugt umgibt die Kondensationskammer die Kühlmittelzufuhrkammer im Wesentlichen, wobei die beiden Kammern durch eine dritte Wand voneinander getrennt sind. Das Kühlmittel gelangt durch eine zweite Eintrittsöffnung in die Kühlmittelzufuhrkammer und durchströmt diese parallel zur Drehachse des Rotors. Dabei wird zumindest ein Teil der thermischen Energie des ersten Arbeitsmediums durch die dritte Wand hindurch mittels konvektiven Wärmetransports an das Kühlmittel abgegeben, wodurch das erste Arbeitsmedium zumindest teilweise kondensiert. Das Kühlmittel strömt aus der Kühlmittelzufuhrkammer durch eine zweite Austrittsöffnung, wobei mittels einer vierten Wand die Strömung des Kühlmittels im Innern der Kühlmittelzufuhrkammer umgelenkt wird.

[0021] Die dritte Wand kann vorzugsweise in einer Weise geformt sein, dass sie längs der Strömungsrichtung des Kühlmittels eine grosse Oberfläche aufweist, so dass ihr gesamter Umfang einen gedachten, bloss kreisförmigen Umfang, um einen Faktor grösser 1 übertrifft. Ausserdem besteht die dritte Wand vorzugsweise aus einem Material, dessen Wärmeleitfähigkeit A einen Wert von mehr als 10 W/Km aufweist.

[0022] Vorteilhaft wird durch das auf der Rotorwelle angebrachte Multifunktionslaufrad während des Betriebs der Dampfkraftanlage eine Strömung im Kühlmittel erzeugt, wodurch die Wärmeabfuhr aus der Kondensationskammer begünstigt wird, wobei das Kühlmittel ein gasförmiges Kühlmittel ist. Zugleich erfolgt mittels des Multifunktionslaufrads über eine berührungslose magnetische Kupplung der Antrieb der ersten Fördereinheit.

[0023] Alternativ kann, sofern das Kühlmittel ein gasförmiges ist und nach Durchströmen der Kühlmittelzufuhrkammer als verloren gelten kann (beispielsweise Umgebungsluft), und sofern auch das Wärmeträgermedium ein gasförmiges ist und nach Durchströmen der Wärmezufuhrkammer als verloren gelten kann (beispielsweise Verbrennungsgase), das Kühlmittel in die erste Austrittsöffnung des Wärmeträgermediums eingeleitet werden.

[0024] Alternativ kann die Kühlung mittels eines flüssigen Kühlmittels zu bewerkstelligen. Die Strömung dieses flüssigen Kühlmittels kann alternativ durch einen externen Antrieb erzeugbar sein.

[0025] Vorteilhaft weist die Dampfkraftanlage zwischen der Verdampfungskammer und der ersten Leitvorrichtung zum Durchtritt des verdampften ersten Arbeitsmediums eine erste Verbindungsvorrichtung auf, die vorzugsweise eine Vorrichtung zur zumindest teilweisen Abscheidung von im zumindest teilweise verdampften Arbeitsmedium vorhandenen Flüssigkeitstropfen umfasst.

[0026] Als Wärmeträgermedien eignen sich vorteilhafterweise heisse Gase, wie Verbrennungsgase, heisse Dämpfe, wie Wasserdampf, heisse Flüssigkeiten, wie heisses Wasser oder Wärmeträgeröle, sowie weitere fluide Medien, deren thermische Energie dazu geeignet ist, beim Durchströmen der Wärmezufuhrkammer mittels konvektivem Wärmetransport durch erste Wand hindurch das erste Arbeitsmedium ausreichend zu erhitzen und zumindest teilweise zu verdampfen.

[0027] Als Kühlmittel eignen sich vorteilhafterweise kühle Gase, etwa Umgebungsluft oder ein gekühltes Inertgas, gekühlte Nebel, wie Wassernebel, kühle Flüssigkeiten, wie kühles Wasser oder Kühlsolen oder Kühlöle sowie weitere fluide Medien, deren thermische Energie dazu geeignet ist, beim Durchströmen der Kühlmittelzufuhrkammer mittels konvektivem Wärmetransport durch die dritte Wand hindurch das erste Arbeitsmedium ausreichend abzukühlen und zumindest teilweise zu kondensieren.

[0028] Das Turbinenlaufrad kann alternativ entweder radial oder axial beaufschlagbar sein.

[0029] Das Turbinenlaufrad kann alternativ entweder nach dem Gleichdruckprinzip (Aktions- bzw. Impulsprinzip) oder nach dem Überdruckprinzip (Reaktionsprinzip) ausgelegt sein.

[0030] Die Rotorwelle kann vorteilhaft mit mindestens einem, vorzugsweise aber mit mindestens zwei Lagern mit dem Stator verbunden sein.

[0031] Alternativ können mehrere Turbinenlaufräder hintereinander konzentrisch zu ihrer Drehachse auf der Rotorwelle angebracht werden, so dass eine mehrstufige Turbine entsteht. Zwischen den einzelnen Turbinenlaufrädern befindet sich jeweils zumindest eine geeignete Leitvorrichtungen, wobei mindestens eine Leitvorrichtung sich vor dem relativ zum Dampfeintritt ersten Turbinenlaufrad befindet.

[0032] Bevorzugt befindet sich zwischen der Entspannungskammer und der Kondensationskammer eine fünfte Wand, welche die beiden Kammern zumindest bereichsweise voneinander trennt.

[0033] Die Zufuhr des Wärmeträgermediums kann vorteilhaft mittels einer im Wärmeträgermedium-Zufuhrkanal angebrachten, zur Drehzahl des Rotors in Abhängigkeit stehende Durchflusssteuer- und/oder Regeleinrichtung reguliert werden, womit eine Kontrolle der Wärmezufuhr gewährleistet werden kann. Damit lässt sich die Drehzahl des Rotors beeinflussen, insbesondere aber im Vollastbereich die Drehzahl des Rotors beschränken.

[0034] Die Zufuhr des Kühlmittels kann vorteilhaft mittels eines im Kühlmittel-Zufuhrkanal angebrachten variablen Stellglieds in Abhängigkeit der Temperatur des in der Kondensationskammer befindlichen kondensierten ersten Arbeitsmediums reguliert werden, womit eine Kontrolle der Wärmeabfuhr gewährleistet ist.

[0035] Alternativ kann im hermetisch abgeschlossenen Innenraum der Dampfkraftanlage vor deren Inbetriebnahme die vorhandene Luft durch ein Inertgas ersetzt werden, und/oder der Innendruck gegenüber dem Umgebungsdruck signifikant gesenkt werden.

[0036] Es kann alternativ vorgesehen werden, die Dampfkraftanlage im Entnahmebetrieb zu fahren. Dazu wird die Dampfkraftanlage mit einem dampfförmigen zweiten Arbeitsmedium über eine zusätzliche Einlassvorrichtung in der ersten Verbindungsvorrichtung beschickt, wobei vorzugsweise das erste und das zweite Arbeitsmedium identisch sind.

[0037] Alternativ dazu kann die Dampfkraftanlage auch mit einem flüssigen zweiten Arbeitsmedium über eine zusätzliche Einlassvorrichtung in der Kondensationskammer beschickt werden, wobei vorzugsweise das erste und das zweite Arbeitsmedium identisch sind.

[0038] Bevorzugt verlässt das zugeführte zweite Arbeitsmedium die Dampfkraftanlage durch mindestens eine Entnahmevorrichtung entweder in dampfförmiger und/oder in flüssiger Form.

[0039] Vorteilhaft werden die Beschickung der Dampfkraftanlage mit einem dampfförmigen oder flüssigen zweiten Arbeitsmedium sowie die Entnahme des Arbeitsmediums jeweils durch geeignete Durchflusssteuer- und/oder Regeleinrichtungen geregelt.

[0040] Alternativ können mehrere Dampfkraftanlagen parallel an einer gemeinsamen Zufuhr eines Wärmeträgermediums angeschlossen sein, wobei die Verteilung der Zufuhr des Wärmeträgermediums auf die jeweilige Dampfkraftanlage durch entsprechende Stellglieder gesteuert und/oder geregelt werden kann.

[0041] Alternativ können mehrere Dampfkraftanlagen auf einer gemeinsamen Drehachse seriell angeordnet sein, wobei das aus der ersten Austrittsöffnung der ersten Dampfkraftanlage ausströmende Wärmeträgermedium über die erste Eintrittsöffnung in die Wärmezufuhrkammer der nächst folgenden Dampfkraftanlage einströmt und sich in der jeweils folgenden Dampfkraftanlage vorzugsweise ein niedriger siedendes Arbeitsmedium befindet als in der vorherigen Dampfkraftanlage.

[0042] Bevorzugt lässt sich die Dampfkraftanlage als Gleichdruck- und/oder Überdruckturbine, als Kondensations- oder Gegendruckturbine oder als Entnahmeturbine betreiben. Sie kann als Arbeitsturbine zum Antrieb eines Stromgenerators, einer Hydraulikpumpe oder einer mechanischen Transmission, als Abdampfturbine, als Vorschaltturbine, zur Nutzung der Abgaswärme aus Verbrennungsmotoren und Feuerungsanlagen, zur Umwandlung von geothermaler oder solarthermischer Energie in elektrische und/oder mechanische Arbeit verwenden werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0043] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren illustrierten Ausführungsbeispiels näher erläutert. <tb>Fig. 1<sep>zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsmässigen Dampfkraftanlage, umfassend ihre relevanten Merkmale im seitlichen Querschnitt. <tb>Fig. 2<sep>zeigt eine schematische Darstellung des Rotor der erfindungsmässigen Dampfkraftanlage, umfassend die möglichen um eine gemeinsame Achse drehenden Merkmale im seitlichen Querschnitt. <tb>Fig. 3<sep>zeigt eine schematische Darstellung des Multifunktionslaufrads.

Ausführung der Erfindung

[0044] Die Dampfkraftanlage (1) der Fig. 1besteht aus einem geeigneten Rotor (9), der sich im Innern eines Stators (2) befindet. Der Rotor (9) der Fig. 2 umfasst eine Rotorwelle (12), und konzentrisch darauf befindlich, ein Turbinenlaufrad (13) (Schaufelrad), ein Multifunktionslaufrad (25) gemäss Fig. 3 und ein optionales Kreiselverdichterlaufrad (14). Der Stator (2) umfasst neben einer ersten Leitvorrichtung (7) für die Beaufschlagung des Turbinenlaufrads (13) mit einem zumindest teilweise verdampften ersten Arbeitsmedium (5) auch eine Wärmezufuhrkammer (3), eine Verdampfungskammer (4), eine erste Verbindungsvorrichtung (26), eine Entspannungskammer (8) und eine Kondensationskammer (10) sowie eine erste Fördereinheit (6) für das erste Arbeitsmedium (5). Dabei wird das innerhalb des Stators (2) eingeschlossene flüssige erste Arbeitsmedium (5) in der Verdampfungskammer (4) mittels Zufuhr von thermischer Energie durch die Wärmezufuhrkammer (3) in Form eines extern erhitzten Gases oder einer extern erhitzten Flüssigkeit zumindest teilweise verdampft.

[0045] Das zumindest teilweise verdampfte erste Arbeitsmedium (5) dehnt sich als Dampf aus und gelangt durch die erste Verbindungsvorrichtung (26) und die erste Leitvorrichtung (7) auf das Turbinenlaufrad (13), wodurch dieses in Drehung versetzt wird und eine nutzbare, relativ zum Stator (2) drehende mechanische Arbeit auf die Rotorwelle (12) übertragen wird. Optional kann die Geometrie und/oder die Ausrichtung der ersten Leitvorrichtung (7) einstellbar sein.

[0046] Mit der Rotorwelle (12) kann – allenfalls über ein optionales Reduktionsgetriebe – ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie oder eine hydraulische Pumpe zur Erzeugung von hydrostatischem Druck verbunden sein. Schwankende Generatorleistung aufgrund von ungleichmässig anfallender Energiezufuhr auf die Dampfkraftanlage kann mittels eines Frequenzumrichters aufgefangen bzw. geglättet werden. Schwankende hydraulische Pumpenleistung kann durch einen Druckpuffer bzw. durch die Differenz aus einem höheren durch die erfindungsgemässe Dampfkraftanlage erzeugten Vorratsdruck gegenüber einem geringeren von einem externen System genutzten Arbeitsdruck aufgefangen bzw. geglättet werden.

[0047] Das zumindest teilweise verdampfte erste Arbeitsmedium (5) tritt nach dem Verlassen des Turbinenlaufrades (13) in die Entspannungskammer (8), von wo aus es mittels eines optionalen, als Kreiselverdichter wirkenden Laufrades (14) entlang der Rotorwelle (12) in die Kondensationskammer (10) gefördert wird, wo es aufgrund der Wärmeabfuhr und des durch das Kreiselverdichterlaufrad (14) erzeugten Überdrucks (kleiner 0.5 MPa) zumindest teilweise zurück in den flüssigen Zustand versetzt wird. Die Wärmeabfuhr aus der Kondensationskammer (10) erfolgt durch die Strömung eines Gases - vorzugsweise die die Dampfkraftanlage (1) umgebende Luft - entlang der der zentralen Achse zugewandten Seite der Kondensationskammer (10). Die Strömung des Kühlmittels (21) wird durch das rotierende Multifunktionslaufrad (25) erzeugt. Alternativ kann auch ein flüssiges Kühlmittel zum Einsatz kommen.

[0048] Durch mindestens eine erste Öffnung (29) gelangt das flüssige erste Arbeitsmedium (5) in die erste Fördereinheit (6) hinein. Mit Hilfe der vom rotierenden Multifunktionslaufrad (25) magnetisch angetriebenen ersten Fördereinheit (6) (beispielsweise nach dem Verdrängungsprinzip oder nach dem Zentrifugalprinzip wirkend) gelangt das flüssige erste Arbeitsmedium (5) durch eine zweite Öffnung (30) in der zweiten Wand (19) zwischen Kondensationskammer (10) und Verdampfungskammer (4) zurück in die Verdampfungskammer (4), wo es wiederum mittels Zufuhr thermischer Energie zumindest teilweise verdampft wird. Somit durchläuft das erste Arbeitsmedium (5) einen geschlossenen Kreislauf.

[0049] Im Unterschied etwa zu DE10 2007 037 889 oder US 2008 047 272 verzichtet die vorliegende Dampfkraftanlage auf einen integrierten Generator. Das hat den Vorteil, dass kein massgeschneiderten Generator entwickelt werden muss, sondern handelsübliche Generatoren Verwendung finden können.

[0050] Die erfindungsgemässe Dampfkraftanlage (1) kann in unterschiedlichen Grössenklassen, als ein- oder mehrstufige Turbine gebaut werden. Ebenso können verschiedene Arbeitsmedien zum Einsatz kommen, sei dies (entionisiertes) Wasser oder organische Substanzen (Organic Rankine Cycle). Das eröffnet ihr ein vielfältiges Anwendungsspektrum, von der Nutzung von Abwärme aus stationären oder mobilen Verbrennungsprozessen (Abgase aus Heizanlagen, Industriefeuerungen, Land- und Wasserfahrzeugen), der Nutzung von Abwärme aus Kälteanlagen und sonstigen Kühlmitteln, bis hin zur Verstromung von solarthermischer oder geothermischer Energie. Aufgrund der wenigen beweglichen oder sich in Bewegung befindlichen Anteile, die zudem nur einen geringen Teil ihrer Gesamtmasse ausmachen, ist die Dampfkraftanlage (1) robust und wartungsarm; im Übrigen können dadurch allfällige Verschleisserscheinungen und Reibungsverluste, wie auch allfällig auftretende Schwingungen und Massenträgheitsmomente minimiert werden.

Bezugszeichenliste

[0051] <tb>1<sep>Dampfkraftanlage <tb>2<sep>Stator <tb>3<sep>Wärmezufuhrkammer <tb>4<sep>Verdampfungskammer <tb>5<sep>erstes Arbeitsmedium <tb>6<sep>erste Fördereinheit (für Arbeitsmedium) <tb>7<sep>erste Leitvorrichtung <tb>8<sep>Entspannungskammer <tb>9<sep>Rotor <tb>10<sep>Kondensationskammer <tb>11<sep>Kühlmittelzufuhrkammer <tb>12<sep>Rotorwelle <tb>13<sep>Turbinenlaufrad <tb>14<sep>Kreiselverdichterlaufrad <tb>15<sep>erste Wand <tb>16<sep>Wärmeträgermedium <tb>17<sep>erste Eintrittsöffnung <tb>18<sep>erste Austrittsöffnung <tb>19<sep>zweite Wand <tb>20<sep>dritte Wand <tb>21<sep>Kühlmittel <tb>22<sep>zweite Eintrittsöffnung <tb>23<sep>zweite Austrittsöffnung <tb>24<sep>vierte Wand <tb>25<sep>Multifunktionslaufrad <tb>26<sep>erste Verbindungsvorrichtung <tb>27<sep>Vorrichtung zur zumindest teilweisen Abscheidung von im zumindest teilweise verdampften Arbeitsmedium vorhandene Flüssigkeitstropfen <tb>28<sep>fünfte Wand <tb>29<sep>erste Öffnung <tb>30<sep>zweite Öffnung <tb>31a,<sep>Lager/Dichtung <tb>31b<sep>Lager/Dichtung <tb>32<sep>sechste Wand <tb>33<sep>dritte Öffnung <tb>34<sep>Magnetelement auf Multifunktionslaufrad <tb>35<sep>Magnetelement auf erster Fördereinheit

Claims (11)

1. Dampfkraftanlage (1) zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie, umfassend einen zur Erzeugung von mechanischer Energie mittels eines zumindest teilweise verdampften ersten Arbeitsmediums (5) antreibbaren und relativ zu einem Stator (2) um eine erste Drehachse drehbaren Rotor (9), der eine Rotorwelle (12), ein Turbinenlaufrad (13) und ein Multifunktionslaufrad (25) umfasst, sowie den Stator (2), der eine Wärmezufuhrkammer (3), eine Verdampfungskammer (4) zum zumindest teilweisen Verdampfen des flüssigen ersten Arbeitsmediums (5) mittels der Dampfkraftanlage (1) zugeführter thermischer Energie, eine erste Verbindungsvorrichtung (26), eine mittels des Multifunktionslaufrads (25) antreibbare erste Fördereinheit (6), eine erste Leitvorrichtung (7), eine Entspannungskammer (8), eine Kondensationskammer (10) und eine Kühlmittelzufuhrkammer (11) umfasst, wobei der Stator (2) den Rotor (9) im Wesentlichen vollständig umgibt.

2. Dampfkraftanlage (1) nach Anspruch 1, bei der die Wärmezufuhrkammer (3) die Verdampfungskammer (4) im Wesentlichen umgibt und die Wärmezufuhrkammer (3) von der Verdampfungskammer (4) durch eine erste Wand (15) getrennt ist, wobei ein Wärmeträgermedium (16) durch eine erste Eintrittsöffnung (17) in die Wärmezufuhrkammer (3) zuführbar ist und dabei zumindest ein Teil der thermischen Energie des Wärmeträgermediums (16) durch die erste Wand (15) hindurch mittels konvektiven Wärmetransports an das flüssige erste Arbeitsmedium (5) abgebbar ist, wobei dieses zumindest teilweise verdampfbar ist, zur ersten Leitvorrichtung (7) und zum Turbinenlaufrad (13) hin ausdehnbar ist, und das Wärmeträgermedium (16) durch mindestens eine erste Austrittsöffnung (18) der Wärmezufuhrkammer (3) ausströmbar ist.

3. Dampfkraftanlage (1) nach Anspruch 2, die eine zweite Wand (19) umfasst, welche die Verdampfungskammer (4) auf ihrer inneren, einer zentralen Achse der Dampfkraftanlage (1) zugewandten Seite gegen die erste Leitvorrichtung (7), gegen die Entspannungskammer (8) und gegen die Kondensationskammer (10) zumindest teilweise trennt.

4. Dampfkraftanlage (1) nach Anspruch 3, bei der mittels der ersten Fördereinheit (6) das flüssige erste Arbeitsmedium (5) durch eine erste Öffnung (29) und eine in der zweiten Wand (19) angeordnete zweite Öffnung (30) von der Kondensationskammer (10) in die Verdampfungskammer (4) förderbar ist.

5. Dampfkraftanlage (1) nach Anspruch 4, bei der die Kondensationskammer (10) die Kühlmittelzufuhrkammer (11) im Wesentlichen umgibt und die Kondensationskammer (10) von der Kühlmittelzufuhrkammer (11) durch eine dritte Wand (20) getrennt ist, wobei ein Kühlmittel (21) durch eine zweite Eintrittsöffnung (22) in die Kühlmittelzufuhrkammer (11) zuführbar ist und dabei zumindest ein Teil der thermische Energie des dampfförmigen ersten Arbeitsmediums (5) durch die dritte Wand (20) hindurch mittels konvektiven Wärmetransports an das Kühlmittel (21) abgebbar ist, wobei dabei das dampfförmige erste Arbeitsmedium (5) zumindest teilweise kondensierbar ist und die Kühlmittelzufuhrkammer (11) für das Kühlmittel (21) durch eine zweite Austrittsöffnung (23) ausströmbar ist, wobei mittels einer vierten Wand (24) die Strömung des Kühlmittels (21) in der Kühlmittelzufuhrkammer (11) umlenkbar ist.

6. Dampfkraftanlage (1) nach Anspruch 5, wobei das Multifunktionslaufrad (25) auf der Rotorwelle (12) angeordnet ist, so dass durch dessen Drehbewegung eine Strömung des Kühlmittels (21) erzeugbar ist, wobei das Kühlmittel (21) ein gasförmiges Kühlmittel ist, als auch mittels des Multifunktionslaufrads (25) und die erste Fördereinheit (6) über eine berührungslose magnetische Übertragung antreibbar ist.

7. Dampfkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Turbinenlaufrad (13) auf der Rotorwelle (12) konzentrisch zu ihrer Drehachse angeordnet ist und wobei das Turbinenlaufrad (13) mittels des durch die erste Leitvorrichtung (7) eintretenden, zumindest teilweise verdampften Arbeitsmediums (5) in eine um die Drehachse drehende Bewegung versetzbar ist, wobei die Geometrie und/oder die Ausrichtung der ersten Leitvorrichtung (7) einstellbar ist.

8. Dampfkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die eine fünfte Wand (28) umfasst, welche die Entspannungskammer (8) und die Kondensationskammer (10) zumindest bereichsweise voneinander trennt.

9. Dampfkraftanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeträgermedium (16) vorzugsweise in Form eines fluiden Wärmeträgermediums, insbesondere in Form von heissen Gasen, z.B. ein Verbrennungsgas, von heissen Dämpfen, z.B. Wasserdampf, von heissen Flüssigkeiten, z.B. heissem Wasser oder einem Wärmeträgeröl verwendbar ist.

10. Dampfkraftanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel (21) vorzugsweise in Form eines fluiden Kühlmittels, insbesondere in Form von Gasen, z.B. Umgebungsluft oder gekühltes Inertgas, von gekühlten Nebeln, z.B. Wassernebel, von kühlen Flüssigkeiten, z.B. kühlem Wasser oder Kühlsolen oder Kühlölen verwendbar ist.

11. Dampfkraftanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zumindest teilweise verdampfte Arbeitsmedium (5) mittels eines auf der Rotorwelle (12) konzentrisch zu ihrer Drehachse angeordneten Kreiselverdichterlaufrad (14) von der Entspannungskammer (8) durch eine sich in der fünften Wand (28) befindliche dritte Öffnung (33) hindurch in die Kondensationskammer (10) förderbar ist.