CH706296B1

CH706296B1 - Integral steam power plant.

Info

Publication number: CH706296B1
Application number: CH00421/12A
Authority: CH
Inventors: Achermann Patrick
Original assignee: Achermann Patrick
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2016-08-31
Also published as: CH706296A2

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.The invention described herein relates to an integral steam power plant for converting thermal energy into mechanical energy. It consists of a stator (2) which essentially comprises a heat supply chamber (3), an evaporation chamber (4) and a condensation chamber (10). The stator surrounds a rotor (9), essentially consisting of a rotor shaft (12) on which a turbine runner (13) and a multifunction runner (25) both for supply and removal of the coolant (21) as well as for driving the conveyor unit (6 ) are arranged for the working medium (5). The invention described here is characterized in that it is self-starting only by supplying thermal energy through the heat supply chamber and during operation, the cooling of the capacitor and the drive of the delivery unit for the working medium independently makes use of other external energy sources.

Description

Technisches GebietTechnical area

[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. The invention described herein relates to an integral steam power plant for the conversion of thermal into mechanical energy, characterized by a steam turbine, which is structurally combined with an evaporator and a condenser.

Stand der TechnikState of the art

[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. The conversion of thermal to mechanical energy by means of a steam power plant (e.g., steam turbine plant), for example, for the purpose of generating electricity, is now considered to be an established and reliable technique. Due to the materials used and in particular due to the sophisticated design, the steam turbine has largely been able to prevail commercially only as a large-scale plant. In an external steam generating unit by means of supply of thermal energy, a liquid working medium - in most cases water - made to evaporate. Subsequently, this steam is passed to a paddle wheel located in a housing, which forms the rotor together with a concentric shaft. The steam flows through the vanes of the turbine runner, thereby causing the rotor to rotate. Thereafter, the steam leaves the housing and is liquefied in a condenser by dissipating thermal energy and conveyed by a pump back into the steam generating unit. The main components steam generating unit, turbine (rotor with turbine impeller in housing), condenser and pump are connected to each other with lines, which are usually also provided with seals and valves. A disadvantage of such an arrangement is not only the considerable material, design and maintenance costs, but also the considerable space required and an increased susceptibility to interference. For applications below the industrial scale, it is thus economically questionable, also because there are often very different operating conditions and use profiles prevail. Particularly small systems (below 10 MW) are subject to high demands with regard to flexibility in comparison to strongly fluctuating heat supply and / or power requirements; At the same time both the effort for the operation of the system and the maintenance should be as low as possible. In order to meet such demands, a system with a high degree of self-sufficiency and a compact design is required.

[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 entgegenzuwirken. An early approach of a compact design, in which the individual main components are combined in a common housing, shows DE 570 322 (C) from the year 1933. Here evaporator (steam boiler) and turbine form a unit, while the capacitor is arranged externally is. The turbine is designed in this case as external rotor rotor with internal stator. Due to the size and the mass of the rotating rotor, considerable vibrations are to be expected, which necessitates costly storage, especially during upscaling. The fact that the rotor also forms the outer housing of the construction, an additional shielding is required to counteract a risk of injury from a moving machine part.

[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. Another early approach of a compact design shows GB 415 986 (A) from 1934. Here turbine, generator and capacitor form a unit, in the true sense, only the cooling of the generator is an integrated function; Steam for drive of the turbine is externally generated, as well as the drive for circulation of a coolant for condensation of steam.

[0005] Bei der explizit als chip-basierte Mikrodampfturbine dargestellten Lösung gemäss US7487641 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. In the explicitly illustrated as a chip-based micro steam turbine solution according to US7487641 B2 from 2006 form turbine, evaporator, condenser, pump and generator a unit, with an external stator and an internal rotor. However, the cooling of the capacitor takes place either via passive heat radiation or must be obtained by an externally driven coolant flow. As a working medium according to claim 11 expressly mentioned only water; Moreover, according to claims 1 to 41, it is rather unlikely that the said micro-steam turbine starts up by itself, since the water at rest is for the most part in the condenser and thus is not in contact with the heat supply.

[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. Another recent development shows US 2008 047 272 A1 from 2008. Here turbine, evaporator, condenser, pump and generator form a unit. Disadvantages are the rotating condenser ("centrifugal condenser"), which can be expected problematic oscillations, as well as the fact that said mini-turbine does not start independently, because in the idle state, the working medium for the most part is in the condenser and thus not in contact with the heat supply is.

[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. As the last document to the prior art DE10 2007 037 889 (A1) from the year 2009 mentioned. Here turbine, evaporator, condenser, pump and generator form a unit. However, the drive takes place both for the circulation of the working medium as well as for the coolant flow from external.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

[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. The following features of the prior art may prove disadvantageous: First, the mass in motion during operation is too large in relation to the total mass of the apparatus. This can lead to delays in starting the operation due to the moments of inertia. During operation, both a sluggish response to changing energy supply and possible problematic vibrations are expected. Ultimately, a large, moving mass is also unfavorable for energy efficiency. Second, while the supply of thermal energy maintains operation, it is not sufficient to commence operation. This is because, due to the design, the heat transfer medium can not deliver its thermal energy to the liquid reservoir of the working medium before starting the operation; Rather, the ongoing operation is a prerequisite for a heat transfer from the heat transfer medium to the working medium can take place. Therefore, a system designed in this way is not self-starting; In addition to the supply of thermal energy, it requires a further measure so that it can start operation. Third, the promotion of any of the resources (working fluid, coolant) by an external power source may prove disadvantageous in that the operation of such a plant is not based solely on the supply of thermal energy. An external lying, connected via lines to the main apparatus auxiliary unit is not only dependent on a separate power supply, but also means increased design and maintenance and increased susceptibility. Each of the inventions listed in the prior art has at least one of the disadvantages just described. The intention of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art development. In particular, should be minimized by a suitable design of the construction and maintenance and a possible low-demand, characterized by a high degree of independence or independence as well as safe and energy-efficient operation possible.

[0009] Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben durch eine wie in Anspruch 1 beschriebene Dampfkraftanlage zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie gelöst, die einen Stator umfasst, in dessen Innern sich ein drehend gelagerter Rotor befindet. Der Stator umfasst 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. According to the invention, these objects are achieved by a steam power plant as described in claim 1 for the conversion of thermal energy into mechanical energy, which comprises a stator in the interior of which is a rotatably mounted rotor. The stator includes a heat supply chamber, an evaporation chamber, a first feed unit, a first connection device, a first guide device, a flash chamber, a condensation chamber, and a coolant supply chamber. In application of the steam power plant, the stator further comprises a liquid first working medium.

[0010] Im Interesse einer höheren Energieeffizienz kann der Stator vorzugsweise atmosphärenseitig zumindest teilweise eine thermische Isolation umfassen. In the interest of higher energy efficiency, the stator may preferably at least partially comprise a thermal insulation on the atmosphere side.

[0011] Der Rotor umfasst in konzentrischer Anordnung eine Rotorwelle, ein Turbinenlaufrad, ein Multifunktionslaufrad sowie ein optionales Kreiselverdichterlaufrad. The rotor comprises in concentric arrangement a rotor shaft, a turbine runner, a multi-functional impeller and an optional centrifugal compressor impeller.

[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, ineinander 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. The inventive design of the steam power plant can fix the disadvantages listed in [0008], or can meet the requirements mentioned there. The inventive steam power plant requires for their operation no external units for generating the flow of the working medium or the coolant. These tasks are taken over by the multifunction runner. It can therefore - apart from the indispensable supply and discharge lines for heat transfer medium and coolant - on external lines (including seals and valves) waive. In addition, the number of their moving parts is comparatively low. Due to the lack of external aggregates for the flow of the working medium or the coolant only a single energy source is required for the operation of the inventive steam power plant: the thermal energy of the supplied heat transfer medium. Further energy sources are not necessary. Since the thermal energy from the heat transfer medium (through a common, heat-conducting wall through) directly to a portion of the liquid supply of the working medium is transferable, no further measures (jump start or the like) are required to start the operation. Not only the number of moving parts is comparatively small; Also, the mass in motion during operation is, relative to the total mass of the inventive steam power plant, low and amounts to well below 50 percent. These characteristics results in a steam power plant, which is characterized by a low design and maintenance due to the integral, nested arrangement of their components, including the likelihood of interference due to the omission of external units (lines with seals and valves) and , due to the small number of moving parts, moves at the lowest possible level. The result is a steam power plant, which basically requires only a single source of energy for receiving and maintaining their operation and waives a claim of further energy assistance; It is therefore self-starting with the supply of thermal energy from a heat transfer medium and maintains its operation independently, thus it has the highest possible level of self-sufficiency. First, since the inventive steam power plant has an inner rotor rotor, the thermal insulation toward the atmosphere is simpler compared to an outer rotor rotor, and secondly, a protective screen for preventing accidents or other mechanical damage can be dispensed with. Overall, the inventive steam power plant has a low in motion (or only to be set in motion) mass fraction. This not only both wear and friction losses as well as any occurring vibrations can be minimized; less energy is also required to start up the operation (because less mass has to be set in motion), and the steam power plant according to the invention reacts more flexibly to changing energy supply during operation.

[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. Preferably, the heat supply chamber surrounds the evaporation chamber substantially, wherein both chambers are separated by a first wall. The heat supply chamber is flowed through by a first inlet opening and a first outlet opening of a heat transfer medium, whereby the steam power plant is supplied with thermal energy.

[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. Alternatively, the heat supply chamber may be designed as a pipe register in the interior of the evaporation chamber, wherein the multiple of the pipe walls as the first wall and the multiple of the cavity in the interior of the tubes is to be understood as the heat supply chamber.

[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. Preferably, the thermal energy from the heat supply chamber by means of convective heat transport through the first wall through to the located in the evaporation chamber liquid first working medium can be delivered. As a result, the liquid first working medium evaporates at least partially, expands as vapor toward the first connection device and passes through it onto the first guide device. The first guide device ensures a favorable angle of attack of the vaporous first working medium on the turbine runner, which is displaceable by the flow of the vaporous first working medium, together with the entire rotor in a rotary motion. To optimize the angle of attack, the geometry and / or the orientation of the first guide device can be adjustable. The heat transfer medium and the vaporized first working medium flow, separated by the first wall, in countercurrent.

[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. Advantageously, the evaporation chamber is at least partially separated on its inner, the central axis of the steam power plant side facing by a second wall both from the first guide, from the expansion chamber, as well as from the condensation chamber.

[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. Preferably, by means of the first conveyor unit, the liquid first working medium can be conveyed from the condensation chamber into the evaporation chamber through a first opening and a second opening located in the second wall.

[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. Advantageously, the vaporous first working medium passes after driving the rotor in the expansion chamber, where it degrades its residual pressure and thereby provides a pressure gradient before and after the turbine wheel. By means of a centrifugal compressor impeller optionally located on the rotor shaft and co-rotating therewith, the vaporous first working medium can be conveyed from the expansion chamber through a third opening in the fifth wall into the condensation chamber. As a result, the pressure in the expansion chamber can be reduced, which increases said pressure gradient; at the same time, the pressure in the condensation chamber increases to less than 0.5 MPa, which on the one hand accelerates the liquefaction of the vaporous first working medium and, on the other hand, increases the pressure above the condensed first working medium, which results in a work relief for the first conveying unit.

[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. The first wall can preferably be shaped in favor of the heat transfer in such a way that along the flow direction of the heat transfer medium and the first working medium has a large surface area, so that their entire circumference an imaginary, only circular circumference, by a factor greater 1 surpasses. In addition, the first wall is preferably made of a material whose thermal conductivity A has a value of more than 10 W / Km.

[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. Preferably, the condensation chamber surrounds the coolant supply chamber substantially, wherein the two chambers are separated by a third wall. The coolant passes through a second inlet opening into the coolant supply chamber and flows through it parallel to the axis of rotation of the rotor. In this case, at least part of the thermal energy of the first working medium is discharged through the third wall by means of convective heat transport to the coolant, whereby the first working medium condenses at least partially. The coolant flows out of the coolant supply chamber through a second outlet opening, wherein the flow of the coolant in the interior of the coolant supply chamber is deflected by means of a fourth wall.

[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. The third wall may preferably be shaped in such a way that it has a large surface along the flow direction of the coolant, so that its entire circumference exceeds an imaginary, merely circular circumference, by a factor greater than 1. In addition, the third wall is preferably made of a material whose thermal conductivity A has a value of more than 10 W / Km.

[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. Advantageously, generated by the mounted on the rotor shaft multi-functional impeller during operation of the steam power plant, a flow in the coolant, whereby the heat dissipation from the condensation chamber is favored, wherein the coolant is a gaseous coolant. At the same time by means of the multi-function impeller via a non-contact magnetic coupling of the drive of the first conveyor unit.

[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. Alternatively, if the coolant is a gaseous and after flowing through the coolant supply chamber can be considered lost (for example, ambient air), and if the heat transfer medium is a gaseous and after flowing through the heat supply chamber can be considered lost (for example, combustion gases), the coolant be introduced into the first outlet opening of the heat transfer medium.

[0024] Alternativ kann die Kühlung mittels eines flüssigen Kühlmittels zu bewerkstelligen sein. Die Strömung dieses flüssigen Kühlmittels kann alternativ durch einen externen Antrieb erzeugbar sein. Alternatively, the cooling can be accomplished by means of a liquid coolant. The flow of this liquid coolant may alternatively be generated by an external drive.

[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. Advantageously, the steam power plant between the evaporation chamber and the first guide for the passage of the vaporized first working medium, a first connection device, which preferably comprises a device for at least partial deposition of existing in at least partially vaporized working fluid drops.

[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. As heat transfer media are advantageously hot gases, such as combustion gases, hot steam, such as water vapor, hot liquids, such as hot water or heat transfer oils, and other fluid media whose thermal energy is suitable when flowing through the heat supply chamber by means of convective heat transport through first Wall sufficiently to heat the first working medium and at least partially evaporate.

[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. Coolants are advantageously cool gases, such as ambient air or a cooled inert gas, cooled mist, such as water mist, cool liquids, such as cool water or cooling brines or cooling oils and other fluid media whose thermal energy is suitable for flowing through the coolant supply chamber by means of convective heat transport through the third wall sufficient to cool the first working medium and at least partially condense.

[0028] Das Turbinenlaufrad kann alternativ entweder radial oder axial beaufschlagbar sein. The turbine runner may alternatively be acted upon either radially or axially.

[0029] Das Turbinenlaufrad kann alternativ entweder nach dem Gleichdruckprinzip (Aktions- bzw. Impulsprinzip) oder nach dem Überdruckprinzip (Reaktionsprinzip) ausgelegt sein. The turbine impeller can alternatively be designed either according to the principle of equal pressure (action or impulse principle) or according to the overpressure principle (reaction principle).

[0030] Die Rotorwelle kann vorteilhaft mit mindestens einem, vorzugsweise aber mit mindestens zwei Lagern mit dem Stator verbunden sein. The rotor shaft may advantageously be connected to at least one, but preferably at least two bearings with the stator.

[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 Leitvorrichtung, wobei mindestens eine Leitvorrichtung sich vor dem relativ zum Dampfeintritt ersten Turbinenlaufrad befindet. Alternatively, a plurality of turbine runners can be mounted one behind the other concentric to its axis of rotation on the rotor shaft, so that a multi-stage turbine is formed. At least one suitable guide device is located between the individual turbine runners, wherein at least one guide device is located in front of the first turbine runner relative to the steam inlet.

[0032] Bevorzugt befindet sich zwischen der Entspannungskammer und der Kondensationskammer eine fünfte Wand, welche die beiden Kammern zumindest bereichsweise voneinander trennt. Preferably, there is a fifth wall between the expansion chamber and the condensation chamber, which separates the two chambers at least partially from each other.

[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 Volllastbereich die Drehzahl des Rotors beschränken. The supply of the heat transfer medium can be advantageously regulated by means of a heat transfer medium supply channel mounted, the speed of the rotor in response flow control and / or regulating device, whereby a control of the heat can be ensured. This makes it possible to influence the rotational speed of the rotor, but in particular to limit the rotational speed of the rotor in the full load range.

[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. The supply of the coolant can advantageously be regulated by means of a variable inlet in the coolant supply channel depending on the temperature of the condensation chamber located in the condensed first working medium, whereby a control of the heat dissipation is ensured.

[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. Alternatively, in the hermetically sealed interior of the steam power plant prior to commissioning, the existing air can be replaced by an inert gas, and / or the internal pressure relative to the ambient pressure can be significantly reduced.

[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. It may alternatively be provided to drive the steam power plant in the removal operation. For this purpose, the steam power plant is charged with a vaporous second working medium via an additional inlet device in the first connecting device, wherein preferably the first and the second working medium are identical.

[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. Alternatively, the steam power plant can be charged with a liquid second working medium via an additional inlet device in the condensation chamber, wherein preferably the first and the second working medium are identical.

[0038] Bevorzugt verlässt das zugeführte zweite Arbeitsmedium die Dampfkraftanlage durch mindestens eine Entnahmevorrichtung entweder in dampfförmiger und/oder in flüssiger Form. Preferably, the supplied second working medium leaves the steam power plant by at least one removal device either in vaporous and / or in liquid 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. Advantageously, the feed of the steam power plant with a vaporous or liquid second working medium and the removal of the working medium are each controlled by suitable flow control and / or regulating devices.

[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. Alternatively, several steam power plants can be connected in parallel to a common supply of a heat transfer medium, wherein the distribution of the supply of the heat transfer medium to the respective steam power plant can be controlled and / or regulated by appropriate actuators.

[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 nächstfolgenden Dampfkraftanlage einströmt und sich in der jeweils folgenden Dampfkraftanlage vorzugsweise ein niedriger siedendes Arbeitsmedium befindet als in der vorherigen Dampfkraftanlage. Alternatively, a plurality of steam power plants may be arranged serially on a common axis of rotation, wherein the effluent from the first outlet opening of the first steam power plant heat transfer medium flows through the first inlet into the heat supply chamber of the next steam power plant and preferably in the respective following steam power plant is a lower boiling working medium as in the previous steam power plant.

[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 verwendet werden. The steam power plant can preferably be operated as a constant pressure and / or overpressure turbine, as a condensation or back pressure turbine or as a removal turbine. It can be used as a power turbine for driving a power generator, a hydraulic pump or a mechanical transmission, as Abdampfturbine, as Vorschaltturbine, to use the exhaust heat from internal combustion engines and furnaces, for the conversion of geothermal or solar thermal energy into electrical and / or mechanical work.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

[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 Rotors 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.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment illustrated in the figures. <Tb> FIG. 1 shows a schematic representation of the steam power plant according to the invention, comprising its relevant features in the lateral cross-section. <Tb> FIG. 2 shows a schematic representation of the rotor of the steam power plant according to the invention, comprising the possible features rotating about a common axis in the lateral cross section. <Tb> FIG. 3 <SEP> shows a schematic representation of the multi-function runner.

Ausführung der ErfindungEmbodiment of the invention

[0044] Die Dampfkraftanlage (1) der Fig. 1 besteht 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. 1 consists of a suitable rotor (9) located inside a stator (2). The rotor (9) of Figure 2 comprises a rotor shaft (12) concentrically therewith, a turbine runner (13) (paddle wheel), a multifunction runner (25) according to Figure 3, and an optional centrifugal compressor runner (14). The stator (2) comprises in addition to a first guide device (7) for acting on the turbine runner (13) with an at least partially vaporized first working medium (5) also a heat supply chamber (3), an evaporation chamber (4), a first connecting device (26) , a flash chamber (8) and a condensation chamber (10) and a first conveyor unit (6) for the first working medium (5). The liquid first working medium (5) enclosed within the stator (2) is at least partially vaporized in the evaporation chamber (4) by supplying thermal energy through the heat supply chamber (3) in the form of an externally heated gas or externally heated liquid.

[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. The at least partially evaporated first working medium (5) expands as steam and passes through the first connecting device (26) and the first guide device (7) on the turbine runner (13), whereby this is rotated and a usable, relative to the stator (2) rotating mechanical work is transmitted to the rotor shaft (12). Optionally, the geometry and / or the orientation of the first guide device (7) can be adjustable.

[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. With the rotor shaft (12) may - at best via an optional reduction gear - be connected to a generator for generating electrical energy or a hydraulic pump for generating hydrostatic pressure. Fluctuating generator power due to unevenly occurring energy supply to the steam power plant can be collected or smoothed by means of a frequency converter. Varying hydraulic pump power can be absorbed or smoothed by a pressure buffer or by the difference between a higher supply pressure generated by the inventive steam power plant and a lower working pressure used by an external system.

[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. The at least partially evaporated first working medium (5) occurs after leaving the turbine runner (13) in the expansion chamber (8), from where it by means of an optional, acting as a centrifugal compressor impeller (14) along the rotor shaft (12) in the condensation chamber (10) is conveyed, where, due to the heat dissipation and the overpressure (less than 0.5 MPa) generated by the centrifugal compressor impeller (14), it is at least partially returned to the liquid state. The heat removal from the condensation chamber (10) is effected by the flow of a gas - preferably the air surrounding the steam power plant (1) - along the side of the condensation chamber (10) facing the central axis. The flow of the coolant (21) is generated by the rotating multifunction impeller (25). Alternatively, a liquid coolant can be used.

[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. The liquid first working medium (5) enters the first conveying unit (6) through at least one first opening (29). With the aid of the first conveyor unit (6) which is magnetically driven by the rotating multifunctional wheel (25) (for example acting according to the displacement principle or centrifugal principle), the liquid first working medium (5) passes through a second opening (30) in the second wall (19) Condensation chamber (10) and evaporation chamber (4) back into the evaporation chamber (4), where it is in turn at least partially evaporated by supplying thermal energy. Thus, the first working medium (5) passes through a closed circuit.

[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 «massgeschneiderter» Generator entwickelt werden muss, sondern handelsübliche Generatoren Verwendung finden können. In contrast to DE10 2007 037 889 or US 2008 047 272, the present steam power plant dispenses with an integrated generator. This has the advantage that no "tailor-made" generator has to be developed, but commercial generators can be used.

[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. The inventive steam power plant (1) can be built in different size classes, as a single or multi-stage turbine. Likewise, various working media can be used, be it (deionized) water or organic substances (Organic Rankine Cycle). This opens up a diverse range of applications, from the use of waste heat from stationary or mobile combustion processes (exhaust gases from heating systems, industrial furnaces, land and water vehicles), the use of waste heat from refrigeration systems and other coolants, to the generation of solar thermal or geothermal energy. Due to the few moving or moving parts, which also account for only a small part of their total mass, the steam power plant (1) is robust and low maintenance; Incidentally, any possible signs of wear and friction losses as well as any vibrations and moments of inertia that occur may be minimized.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

[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[0051] <Tb> 1 <September> steam turbine <Tb> 2 <September> stator <Tb> 3 <September> heat chamber <Tb> 4 <September> evaporation chamber <tb> 5 <SEP> first working medium <tb> 6 <SEP> first feed unit (for working medium) <tb> 7 <SEP> first guide <Tb> 8 <September> flash chamber <Tb> 9 <September> Rotor <Tb> 10 <September> condensation chamber <Tb> 11 <September> coolant supply chamber <Tb> 12 <September> rotor shaft <Tb> 13 <September> turbine impeller <Tb> 14 <September> centrifugal compressor impeller <tb> 15 <SEP> first wall <Tb> 16 <September> heat transfer medium <tb> 17 <SEP> first entrance opening <tb> 18 <SEP> first exit port <tb> 19 <SEP> second wall <tb> 20 <SEP> third wall <Tb> 21 <September> Coolant <tb> 22 <SEP> second inlet opening <tb> 23 <SEP> second exit port <tb> 24 <SEP> fourth wall <Tb> 25 <September> Multifunction impeller <tb> 26 <SEP> first connection device <tb> 27 <SEP> Device for the at least partial separation of liquid drops present in the at least partially vaporized working medium <tb> 28 <SEP> fifth wall <tb> 29 <SEP> first opening <tb> 30 <SEP> second opening <Tb> 31 <September> bearing / seal <Tb> 31b <September> bearing / seal <tb> 32 <SEP> sixth wall <tb> 33 <SEP> third opening <tb> 34 <SEP> Magnetic element on multifunctional wheel <tb> 35 <SEP> Magnetic element on first conveyor unit

Claims

1. Steam power plant (1) for the conversion of thermal energy into mechanical energy, comprising a for generating mechanical energy by means of an at least partially vaporized first working medium (5) drivable and relative to a stator (2), mounted in the interior, to a first Rotary axis rotatable rotor (9) concentrically arranged in a rotor shaft (12), a turbine runner (13) and a multi-functional impeller (25), wherein by the rotational movement of the rotor (9) by means of the multi-functional impeller (25) a flow of a coolant ( 21) through a coolant supply chamber (11) of the stator (2) and a drive of a first conveyor unit (6) of the stator can be generated, wherein the stator (2) further comprises: a heat supply chamber (3), an evaporation chamber (4) for at least partial evaporation of the liquid first working medium (5) by means of the steam power plant (1) supplied thermal energy, a first connecting device (26) un d a first guide device (7) by means of which both a turbine runner (13) with the at least partially vaporized first working medium (5) acted upon and thereby the rotor is set in a rotary motion, wherein the working medium after emerging from the turbine runner (13) in a downstream of the expansion chamber (8) of the stator (2) can pass, from where it in a relaxation chamber (8) downstream condensation chamber (10) of the stator (2) can be conveyed and condensed there, wherein the stator (2) the rotor (9) substantially surrounds.

2. Steam power plant (1) according to claim 1, wherein the heat supply chamber (3) the evaporation chamber (4) substantially surrounds and the heat supply chamber (3) from the evaporation chamber (4) by a first wall (15) is separated, wherein a heat transfer medium (16) can be fed into the heat supply chamber (3) through a first inlet opening (17) and at least a part of the thermal energy of the heat transfer medium (16) by means of convective heat transport and through the first wall (15) to the liquid first working medium (5 ), wherein this is at least partially vaporizable, to the first guide device (7) and to the turbine impeller (13) is expandable, and the heat transfer medium (16) through at least a first outlet opening (18) of the heat supply chamber (3) can be flowed out.

3. Steam power plant (1) according to claim 2, which comprises a second wall (19) which the evaporation chamber (4) on its inner, a central axis of the steam power plant (1) facing side against the first guide device (7), against the expansion chamber (8) and against the condensation chamber (10) at least partially separates.

4. Steam power plant (1) according to claim 3, wherein by means of the first conveyor unit (6) the liquid first working medium (5) through a first opening (29) and in the second wall (19) arranged second opening (30) of the Condensation chamber (10) in the evaporation chamber (4) is conveyed.

5. Steam turbine (1) according to claim 4, wherein the condensation chamber (10) the coolant supply chamber (11) substantially surrounds and the condensation chamber (10) from the coolant supply chamber (11) by a third wall (20) is separated, wherein a coolant (21) can be fed into the coolant supply chamber (11) through a second inlet opening (22) and at least part of the thermal energy of the vaporous first working medium (5) is conveyed to the coolant (21) by means of convective heat transport and through the third wall (20) ), wherein the vaporous first working medium (5) is at least partially condensable and the coolant supply chamber (11) for the coolant (21) through a second outlet opening (23) can be flowed out, wherein by means of a fourth wall (24) the flow of Coolant (21) in the coolant supply chamber (11) is deflectable.

6. steam power plant (1) according to claim 5, wherein the multi-functional impeller (25) on the rotor shaft (12) is arranged so that by the rotational movement of a flow of the coolant (21) can be generated, wherein the coolant (21) is a gaseous coolant , and that by means of the multi-functional impeller (25), the first conveyor unit (6) is drivable via a non-contact magnetic transmission.

7. steam turbine (1) according to one of claims 1 to 6, wherein the turbine runner (13) on the rotor shaft (12) is arranged concentrically to its axis of rotation and wherein the turbine runner (13) by means of the first guide device (7) entering, at least partially vaporized working medium (5) is displaceable in a rotational movement about the axis of rotation, wherein the orientation of the first guide device (7) is adjustable.

8. Steam power plant (1) according to one of claims 1 to 7, which comprises a fifth wall (28), which separates the expansion chamber (8) and the condensation chamber (10) in regions.

9. steam power plant (1) according to one of the preceding claims, which is adapted to use a fluid, suitable for the evaporation of the first working medium heat transfer medium (16).

10. Steam power plant (1) according to one of the preceding claims, which is designed to use a fluid, suitable for the condensation of the first working medium coolant (21).

11. steam power plant (1) according to one of claims 8 to 10, wherein the from the turbine runner (13) exiting working medium (5) by means of a on the rotor shaft (12) concentric with its axis of rotation arranged centrifugal compressor impeller (14) of the expansion chamber (8). through a in the fifth wall (28) located third opening (33) through the condensation chamber (10) is conveyed.