Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Gattung.The
The invention relates to a device that in the preamble of claim
1 specified genus.
Bei
einer bekannten Vorrichtung dieser Art ( DE 42 16 278 A1 ) ist der
Vorwärmabschnitt
auf der Austrittsseite und der Überhitzungsabschnitt
auf der Eintrittsseite der von einer Wärmequelle aus zuströmenden Heißgase angeordnet.
Beide Abschnitte sind aus konisch gewickelten Rohren hergestellt.
Ein Verdampfungsabschnitt ist als ein beide Abschnitte koaxial umgebender
Strömungskanalabschnitt
ausgebildet, der entweder aus einer schraubenlinienförmig gewickelten
Rohrleitung oder einer zweischalig aufgebauten Wand eines zylindrischen
Gehäuses besteht.
Vorrichtungen dieser Art dienen zur Erzeugung großer Mengen
von Wasserdampf unter hohem Druck und bei im wesentlichen konstanten
Betriebsbedingungen, beispielsweise für die Gewinnung von elektrischer
Energie.In a known device of this type ( DE 42 16 278 A1 ), the preheating portion on the discharge side and the overheating portion on the entrance side of the hot gases flowing from a heat source are arranged. Both sections are made of conically wound tubes. An evaporation section is formed as a flow passage section coaxially surrounding both sections, which consists either of a helically wound pipeline or a double-shelled wall of a cylindrical housing. Devices of this type are used to generate large quantities of water vapor under high pressure and at substantially constant operating conditions, for example for the production of electrical energy.
Demgegenüber betrifft
die vorliegende Erfindung Vorrichtungen zur Dampferzeugung für Kleinstkraftwerke,
insbesondere in Verbindung mit elektromechanischen Wandlern für Kraft/Wärme-Kopplungen
zur anteiligen Erzeugung von elektrischer Energie aus z. B. Ölöfen, Gasthermen,
Biomasseheizanlagen (Pellets oder Holzbrennöfen) aufweisenden Wärmequellen
im Bereich von Gebäudeheizungen. Bevorzugt
werden hierbei elektromechanische Wandler verwendet, die mit einem
frei schwingenden Kolben, einem sog. Freikolben, und einer fest
mit diesem gekoppelten Ankerspule arbeiten (z. B. DE 102 09 858 B4 ). Für Anwendungen
dieser Art ist die oben beschriebene, bekannte Vorrichtung weniger
gut geeignet. Grund hierfür
ist einerseits ihr vergleichsweise komplizierter Aufbau. Andererseits
werden für
die genannten Anwendungen Vorrichtungen benötigt, die über eine lange Lebensdauer
hinweg weitgehend wartungsfrei betrieben und leicht an unterschiedliche Verhältnisse,
insbesondere unterschiedliche Leistungen angepasst werden können, mit
denen die genannten Wärmequellen
in Abhängigkeit
vom jeweiligen Bedarf betrieben werden.In contrast, the present invention relates to devices for generating steam for micro-power plants, especially in conjunction with electromechanical transducers for power / heat couplings for the proportionate generation of electrical energy from z. As oil stoves, gas water heaters, biomass heating systems (pellets or wood stoves) having heat sources in the range of building heaters. Preferably electromechanical transducers are used which operate with a freely oscillating piston, a so-called free piston, and an armature coil firmly coupled thereto (eg. DE 102 09 858 B4 ). For applications of this type, the known device described above is less well suited. The reason for this is their comparatively complicated structure on the one hand. On the other hand, devices are required for the applications mentioned, which can be operated largely maintenance-free over a long service life and can be easily adapted to different conditions, in particular different performances, with which said heat sources are operated depending on the particular requirement.
Kritisch
ist in diesem Zusammenhang zum einen der Verdampfungsabschnitt der
Vorrichtung, in dem der Übergang
vom flüssigen
Zustand in den dampfförmigen
Zustand des Arbeitsmediums stattfindet. An der Innenwand dieses
Verdampfungsabschnitts bilden sich bei Anwendung üblicher
Materialien häufig
unerwünschte
Ablagerungen, die bei Temperaturwechseln abplatzen können und
dann den Betrieb des mit dem Dampf betriebenen elektromechanischen
Wandlers beeinträchtigen,
indem sie z. B. dessen Kolbenringe, Zylinder od. dgl. beschädigen. Zum
anderen sollte sichergestellt werden, dass an keiner Stelle des
Strömungskanals
eine Maximaltemperatur von z. B. 550 °C überschritten wird, um eine
Verzunderung des Strömungskanals
zu vermeiden und seine Standzeit zu vergrößern.Critical
is in this context, on the one hand, the evaporation section of
Device in which the transition
from the liquid
Condition in the vaporous
Condition of the working medium takes place. On the inner wall of this
Evaporation section form when using conventional
Materials often
undesirable
Deposits that can flake off during temperature changes and
then the operation of the steam-powered electromechanical
Affect the converter,
by B. the piston rings, cylinder od. Like. Damage. To the
others should be ensured that at no point in the
flow channel
a maximum temperature of z. B. 550 ° C is exceeded by a
Scaling of the flow channel
to avoid and to increase its service life.
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei der Vorrichtung
der eingangs bezeichneten Gattung die Voraussetzungen dafür zu schaffen, dass
sie bei den genannten Anwendungen auch dann wartungsarm und dennoch
betriebssicher arbeitet, wenn sie in Abhängigkeit vom Bedarf mit unterschiedlichen
Leistungen betrieben wird.Of the
Invention is therefore the object of the device
the genus described above to create the conditions that
They also low maintenance and yet in the applications mentioned
Reliable working, if different depending on the needs
Services is operated.
Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1.to
solution
This object is achieved by the characterizing features of the claim
1.
Die
Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass derjenige Abschnitt
des Strömungskanals, nämlich der
Verdampfungsabschnitt, der jeweiligen Wärmequelle am nächsten und
damit an einer Stelle liegt, wo die meiste Wärmeenergie benötigt wird
bzw. wo von dem den Strömungskanal
durchströmenden Arbeitsmedium
die meiste Energie aufgenommen wird. Dagegen ist der Überhitzungsbereich,
in dem der bereits trockene Dampf lediglich stärker erhitzt wird, weiter von
der Wärmequelle
entfernt. Er befindet sich daher zwar auf einem etwas kühleren Temperaturniveau,
doch reicht dieses aus, um den Dampf auf seine gewünschte Endtemperatur
zu bringen. Dadurch kann einerseits erreicht werden, dass der Verdampfungsabschnitt
unter keinen Umständen
auf eine Temperatur von mehr als z. B. 550 °C erhitzt wird. Andererseits
kann die Vorrichtung bei zahlreichen unterschiedlichen Leistungsstufen
der Wärmequelle
betrieben werden, wie weiter unten näher erläutert ist. Schließlich kann,
falls sich dies als erforderlich erweisen sollte, die Ablagerung
schädlicher Substanzen
im Verdampfungsabschnitt dadurch vermieden werden, dass dieser zumindest
auf seiner Innenseite aus einem Material wie z.B. Eisen hergestellt
wird, das dagegen weitgehend resitent ist.The
Invention has the advantage that the one section
the flow channel, namely the
Evaporation section, closest to the respective heat source and
so that it is at a point where most of the heat energy is needed
or where from the flow channel
flowing through working medium
most of the energy is absorbed. In contrast, the overheating area,
in which the already dry steam is heated only more, continue from
the heat source
away. He is therefore at a slightly cooler temperature level,
but this is enough to the steam to its desired final temperature
bring to. This can be achieved on the one hand, that the evaporation section
under no circumstances
to a temperature of more than z. B. 550 ° C is heated. on the other hand
The device can be used at many different power levels
the heat source
operated, as explained in more detail below. Finally,
if this proves necessary, the deposit
harmful substances
be avoided in the evaporation section, that this at least
on its inside of a material such as Iron made
which is, on the other hand, largely resitent.
Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further
advantageous features of the invention will become apparent from the dependent claims.
Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:The
The invention will be described below in conjunction with the accompanying drawings
at exemplary embodiments
explained in more detail. It
demonstrate:
1 eine
schematische Draufsicht auf ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a schematic plan view of a simplified embodiment of a device according to the invention;
2 einen
schematischen Schnitt längs der
Linie II-II der 1; 2 a schematic section along the line II-II of 1 ;
3 eine
schematische Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 3 a schematic plan view of a second embodiment of the inventive the device;
4 und 5 je
ein Temperatur/Enthalpie- und Enthalpie/-Entropie-Diagramm für den der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zugrunde liegenden Clausius-Rankine-Prozess; 4 and 5 in each case a temperature / enthalpy and enthalpy / entropy diagram for the Clausius-Rankine process on which the device according to the invention is based;
6 den
inneren und äußeren Temperaturverlauf
längs des
Strömungskanals
der Vorrichtung nach 1; 6 the inner and outer temperature profile along the flow channel of the device according to 1 ;
7 den
inneren und äußeren Temperaturverlauf
der Vorrichtung nach 1 in radialer Richtung; und 7 the internal and external temperature profile of the device 1 in the radial direction; and
8 und 9 schematisch
zwei weitere Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 8th and 9 schematically two further embodiments of the device according to the invention.
1 und 2 zeigen
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Überführung eines Arbeitsmediums,
vorzugsweise Wasser, von einem flüssigen Zustand in einen dampfförmigen Zustand,
insbesondere in überhitztem
Dampf. Das Arbeitsmedium wird z. B. dem Arbeitsraum eines elektromechanischen Wandlers
entnommen, der einen frei schwingenden, von einem dampfförmigen Medium
angetriebenen Arbeitskolben aufweist, der mit einer der elektrischen Energieerzeugung
dienenden Ankerspule fest verbunden ist. Das entnommene Arbeitsmedium
wird unter Druckerhöhung
auf z. B. 20 bar bis 50 bar in eine Verdampfungsvorrichtung gepumpt,
in der sich ein Brenner befindet, um das zugeführte Arbeitsmedium in Wasserdampf
umzuwandeln und dann einem zum Antrieb des Freikolbens bestimmten
Zylinder zuzuführen.
Anschließend
wird der Dampf wieder in den Arbeitsraum des elektromechanischen
Wandlers überführt, wo
er kondensiert und danach erneut der Verdampfungsvorrichtung zugeführt wird.
Anlagen dieser Art sind z. B. aus der Schrift DE 102 09 858 B4 bekannt,
die insoweit zur Vermeidung von Wiederholungen durch Referenz auf
sie zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird. 1 and 2 show a device according to the invention for the transfer of a working medium, preferably water, from a liquid state to a vapor state, in particular in superheated steam. The working medium is z. Example, taken from the working space of an electromechanical transducer having a free-swinging, driven by a vapor medium working piston which is fixedly connected to an electric power generating anchor coil. The removed working fluid is pressurized to z. B. 20 bar to 50 bar pumped into an evaporator, in which there is a burner to convert the supplied working fluid into water vapor and then fed to a particular cylinder for driving the free piston. Subsequently, the steam is again transferred to the working space of the electromechanical transducer, where it is condensed and then fed again to the evaporation device. Plants of this type are z. B. from the Scriptures DE 102 09 858 B4 is known, which is to this extent made to avoid repetition by reference to them the subject of the present disclosure.
Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Verdampfen des Arbeitsmediums, nachfolgend kurz als Verdampfungsvorrichtung
oder Vorrichtung bezeichnet, ist in 1 und 2 dargestellt.
Sie enthält
als wesentliche Bestandteile einen Strömungskanal 1 und eine
Wärmequelle 2.A device according to the invention for vaporizing the working medium, hereinafter referred to briefly as vaporizing device or device, is known in 1 and 2 shown. It contains as essential components a flow channel 1 and a heat source 2 ,
Der
Strömungskanal 1 enthält wenigstens eine
Eintrittsöffnung 3 für das in
flüssigem
Zustand befindliche Arbeitsmedium und wenigstens eine Austrittsöffnung 4 für das in
den dampfförmigen
Zustand überführte Arbeitsmedium.
Dabei soll das Arbeitsmedium der Eintrittsöffnung 3 in flüssigem Zustand
z. B. mit einem Druck von 20 bis 50 bar, einer Strömungsgeschwindigkeit
von z. B. 100 ml/min und einer Temperatur von z. B. 100 °C zugeführt und
der Austrittsöffnung 4 in
dampfförmigem
Zustand z. B. mit einem geringfügig
geringeren, durch Druckverluste in der Verdampfungsvorrichtung bedingten
Druck und einer im wesentlichen unveränderten Strömungsgeschwindigkeit von 100
ml/min, jedoch mit einer Temperatur von z. B. 450 °C entnommen
werden.The flow channel 1 contains at least one inlet opening 3 for the working medium in the liquid state and at least one outlet opening 4 for the converted into the vapor state working medium. In this case, the working medium of the inlet opening 3 in the liquid state z. B. with a pressure of 20 to 50 bar, a flow rate of z. B. 100 ml / min and a temperature of z. B. 100 ° C and the outlet opening 4 in vaporous state z. B. with a slightly lower, caused by pressure losses in the evaporation device pressure and a substantially unchanged flow rate of 100 ml / min, but with a temperature of z. B. 450 ° C are removed.
Die
Wärmequelle 2 besteht
in der Regel aus einem für
die Warmwassererzeugung in Gehäuden üblichen
Brenner, der mit Öl,
Gas, Biomasse (Pellets, Holz) od. dgl. gespeist wird. Die von der
Wärmequelle
abgegebene Wärmeenergie
in Form von Heißgasen
breitet sich in einer vorgewählten,
hier gleichförmig
radialen Richtung aus, wie im Ausführungsbeispiel durch radiale
Pfeile 5 angedeutet ist. Alternativ können als Wärmequelle 2 auch andere
Wärmeerzeuger,
z. B. Wärmestrahlung
abgebende Heizstrahler vorgesehen sein.The heat source 2 usually consists of a usual for domestic hot water production burner, the od with oil, gas, biomass (pellets, wood) or the like. Is fed. The heat energy emitted by the heat source in the form of hot gases propagates in a preselected, here uniformly radial direction, as in the exemplary embodiment by radial arrows 5 is indicated. Alternatively, as a heat source 2 Other heat generators, z. B. radiant heat emitting radiant heater may be provided.
Der
Strömungskanal 1 besitzt
nach 1 in räumlicher
Hinsicht eine Spiralform. An seine Eintrittsöffnung 3 schließt sich
zunächst
ein Vorwärmabschnitt 6 an,
der aus drei spiralförmig
verlaufenden Windungen besteht und von der Wärmequelle 2 den weitesten
Abstand hat. An das radial innen liegende Ende des Vorwärmabschnitts 6 schließen sich
bei ebenfalls spiralförmigem
Verlauf drei weitere Windungen des Strömungskanals 1 an,
wobei nachfolgend die erfindungsgemäß radial am weitesten innen
und der Wärmequelle 2 am
nächsten
liegende Windung als erster Verdampfungsabschnitt 7, die sich
daran anschließende
Windung als Überhitzungsabschnitt 8 und
die radial zwischen dem Überhitzungsabschnitt 8 und
dem Vorwärmabschnitt 6 liegende
Windung als zweiter Verdampfungsabschnitt 9 bezeichnet
wird. Dabei ist für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung beachtlich, dass die beschriebene Anordnung
nur in räumlicher
Hinsicht gilt. Im Hinblick auf das den Strömungskanal 1 durchströmende Arbeitsmedium
gilt dagegen, dass dieses bei der Eintrittsöffnung 3 zugeführt und
nach dem Durchströmen des
Vorwärmabschnitts 6 direkt
in den ersten Verdampfungsabschnitt 7 eingeleitet wird.
Dazu ist das radial innen liegende Ende des Vorwärmabschnitts 6 mittels
eines im wesentlichen radial angeordneten, kurzen Überleitungsabschnitts 10 mit
dem Anfang des ersten Verdampfungsabschnitts 7 verbunden. Vom
ersten Verdampfungsabschnitt 7 aus wird das Arbeitsmedium
dann direkt in den zweiten Verdampfungsabschnitt 9 eingeleitet,
dessen Anfang über
einen weiteren, im wesentlichen radial angeordneten, kurzen Überleitungsabschnitt 11 mit
dem Ende des ersten Verdampfungsabschnitts 7 verbunden
ist. An das Ende des zweiten Verdampfungsabschnitts 9 schließt sich
dann ohne Unterbrechung der Spiralform der Überhitzungsabschnitt 8 an,
dessen Ende mit der Austrittsöffnung 4 versehen
ist. Die daraus resultierenden Strömungsrichtungen sind jeweils
durch Pfeile angedeutet. Außerdem
zeigen 1 und 2, dass die Wärmequelle 2 bei
Anwendung eines spiralförmig
ausgebildeten Strömungskanals 1 zweckmäßig genau
in einem vom Strömungskanal 1 frei
bleibenden Zentrum und so angeordnet wird, dass die von ihr abgegebene
Wärmeenergie
gleichförmig
von innen nach außen
in der hier radialen Ausbreitungsrichtung strömen und dabei nacheinander mit
den verschiedenen Abschnitten 7, 8, 9 und 6 des Strömungskanals 1 in
Wechselwirkung treten, d. h. mit dem Arbeitsmedium Wärme austauschen
kann.The flow channel 1 owns after 1 spatially a spiral shape. At his entrance 3 initially closes a preheating section 6 on, consisting of three spiral turns and from the heat source 2 has the farthest distance. At the radially inner end of the preheating section 6 close in also spiral course three more turns of the flow channel 1 in the following, according to the invention radially inward most and the heat source 2 closest turn as the first evaporation section 7 , the subsequent turn as overheating section 8th and the radially between the overheating portion 8th and the preheating section 6 lying turn as a second evaporation section 9 referred to as. It is noteworthy for the purposes of the present invention that the arrangement described applies only in terms of space. With regard to the flow channel 1 By contrast, working medium applies that this at the inlet opening 3 supplied and after flowing through the preheating section 6 directly into the first evaporation section 7 is initiated. This is the radially inner end of the preheating section 6 by means of a substantially radially arranged, short transfer section 10 with the beginning of the first evaporation section 7 connected. From the first evaporation section 7 from the working medium is then directly into the second evaporation section 9 introduced, the beginning of a further, substantially radially arranged, short transition section 11 with the end of the first evaporation section 7 connected is. At the end of the second evaporation section 9 then closes without interruption of the spiral shape of the overheating section 8th at, whose end with the outlet opening 4 is provided. The resulting flow directions are each by Arrows indicated. In addition, show 1 and 2 that the heat source 2 when using a spiral-shaped flow channel 1 expediently exactly in one of the flow channel 1 free center and is arranged so that the heat energy emitted by her flow uniformly from the inside out in the radial propagation direction here and thereby successively with the various sections 7 . 8th . 9 and 6 of the flow channel 1 interact, ie can exchange heat with the working fluid.
Die
Vorrichtung nach 1 ist wahlweise aus Abschnitten
eines Hohlformkörpers
oder aus entsprechend geformten Rohrabschnitten aufgebaut, die in
Strömungsrichtung
durchlaufend und insbesondere an den Stoßstellen der Überleitungsabschnitte 10 und 11 durch
geeignete Verbindungseinrichtungen und/oder Schweißnähte miteinander
verbunden sind. Außerdem
sind zumindest im Fall von Rohrabschnitten vorzugsweise mehrere,
radial erstreckte Verbindungs- und Abstandseinrichtungen 12 (2)
vorhanden. Diese bestehen vorzugsweise aus kammartig ausgebildeten
Verbindungselementen mit Stegen 12a, die die einzelnen
Rohrabschnitte zwischen sich aufnehmen, deren Verschiebungen in radialer
Richtung verhindern und damit eine insgesamt stabile, spiralförmige Konstruktion
bilden, wie insbesondere 2 zeigt.The device after 1 is optionally constructed of sections of a hollow shaped body or of correspondingly shaped pipe sections, which are continuous in the flow direction and in particular at the joints of the transition sections 10 and 11 are interconnected by suitable connecting means and / or welds. In addition, at least in the case of pipe sections, preferably a plurality of radially extending connecting and spacing devices 12 ( 2 ) available. These preferably consist of comb-like connecting elements with webs 12a , which accommodate the individual pipe sections between them, prevent their shifts in the radial direction and thus form an overall stable, spiral construction, in particular 2 shows.
Bei
dem aus 3 ersichtlichen Ausführungsbeispiel
sind sowohl die räumlichen
Anordnungen als auch die strömungsmäßen Verbindungen
der einzelnen Abschnitte eines Strömungskanals 14 analog
zu denen des Strömungskanals 1.
Unterschiedlich ist hier lediglich, dass die verschiedenen Abschnitte
aus mäanderförmig verlegten
Windungen gebildet und linear hintereinander angeordnet sind. Die
vorgewählte
Ausbreitungsrichtung von Wärmeenergie,
die von einer nicht dargestellten Wärmequelle abgegeben wird, ist
hier durch einen Pfeil 15 angedeutet. Die Zahl der zusätzlich eingezeichneten Punkte
soll außerdem
die Höhe
der Temperatur andeuten, die aufgrund der Heißgase, Wärmestrahlung od. dgl. erzeugt
wird. Das Arbeitsmedium tritt an einer Eintrittsöffnung 16 in einen
von der Wärmequelle am
weitesten entfernten Vorwärmabschnitt 17 ein, der
durch einen zur Ausbreitungsrichtung der Wärmeenergie parallelen Überleitungsabschnitt 18 mit einem
der Wärmequelle
am nächsten liegenden,
ersten Verdampfungsabschnitt 19 verbunden ist. Von diesem
aus gelangt das Arbeitsmedium zunächst durch einen weiteren,
zur Ausbreitungsrichtung der Wärmeenergie
parallelen Überleitungsabschnitt 20 in einen
zweiten Verdampfungsabschnitt 21, dessen Ende mit einem Überhitzungsabschnitt 22 verbunden ist,
der wie in 1 räumlich zwischen den beiden Verdampfungsabschnitten 19 und 21 liegt,
strömungsmäßig aber
den letzten Abschnitt des Strömungskanals 14 bildet
und daher mit einer Austrittsöffnung 23 für den Dampf
versehen ist.At the 3 apparent embodiment, both the spatial arrangements and the flow connections of the individual sections of a flow channel 14 analogous to those of the flow channel 1 , The only difference here is that the various sections are formed from meander-shaped windings and arranged linearly one behind the other. The preselected direction of propagation of heat energy emitted by a heat source, not shown, is here indicated by an arrow 15 indicated. The number of additional points drawn in addition to indicate the height of the temperature, which od due to the hot gases, heat radiation. Like. Is generated. The working medium occurs at an inlet opening 16 in a preheating section farthest from the heat source 17 a, by a parallel to the propagation direction of the heat energy transfer section 18 with a first evaporation section closest to the heat source 19 connected is. From this, the working medium first passes through another, parallel to the propagation direction of the heat energy transfer section 20 in a second evaporation section 21 whose end is overheated 22 connected, as in 1 spatially between the two evaporation sections 19 and 21 is, but fluidly the last section of the flow channel 14 forms and therefore with an outlet opening 23 is provided for the steam.
Im übrigen können die
verschiedenen Abschnitte einzeln oder gesamt wie beim Ausführungsbeispiel
nach 1 und 2 aus Abschnitten von Hohlformkörpern oder
aus Rohrabschnitten bestehen, die durch kammartige oder sonstwie
ausgebildete Verbindungs- und Abstandseinrichtungen zu einer stabilen
Konstruktion zusammengesetzt sind. Außerdem unterliegt das Arbeitsmedium
im Bereich der Überleitungsabschnitte 18, 20 ähnlichen
Temperatursprüngen,
wie dies für
die Überleitungsabschnitte 10 und 11 in 1 gilt.Incidentally, the various sections individually or in total as in the embodiment according to 1 and 2 consist of sections of hollow moldings or pipe sections, which are assembled by comb-like or otherwise formed connecting and spacing devices to a stable construction. In addition, the working fluid is subject to the transition sections 18 . 20 Similar temperature jumps, as for the transition sections 10 and 11 in 1 applies.
Die
Wirkungsweise der anhand der 1 und 2 beschriebenen
Verdampfungsvorrichtung ist im wesentlichen wie folgt:
Die
Wärmequelle 2,
die Zuführgeschwindigkeit
des Arbeitsmediums und die Längen
und Querschnitte der verschiedenen Strömungskanalabschnitte werden
so festgelegt, dass das Arbeitsmedium, z. B. Wasser, der Eintrittsöffnung 3 z.
B. mit 20 bar, 100 ml/min und 100 °C zugeführt wird, den Vorwärmabschnitt 6 etwa
mit einer Temperatur von 160 °C
bis 170 °C
verlässt
und daher mit einer Temperatur in den ersten Verdampfungsabschnitt 7 eintritt,
die etwa der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums beim gewählten Druck
entspricht. Der Verdampfungsabschnitt 7 ist der größten Wärme (z.
B. 1000 °C)
der Wärmequelle
ausgesetzt. Da jedoch das Arbeitsmedium im Verdampfungsabschnitt 7 in
den dampfförmigen
Zustand übergeht,
nimmt es hier auch die meiste Wärmeenergie
auf, so dass seine Temperatur im wesentlichen konstant bleibt und
die Temperatur des Verdampfungsabschnitts 7 die gewünschte Höchsttemperatur
von z. B. 550 °C
nicht überschreitet.
Am Ende des Verdampfungsabschnitts 7 sollte sich das Arbeitsmedium
vollständig in
trockenem Dampf umgewandelt haben.The mode of action of the basis of 1 and 2 Essentially, the evaporation device described is as follows:
The heat source 2 , the feed rate of the working medium and the lengths and cross sections of the various flow channel sections are set so that the working medium, for. As water, the inlet opening 3 z. B. with 20 bar, 100 ml / min and 100 ° C, the preheating section 6 leaves about at a temperature of 160 ° C to 170 ° C and therefore at a temperature in the first evaporation section 7 occurs, which corresponds approximately to the evaporation temperature of the working fluid at the selected pressure. The evaporation section 7 is exposed to the greatest heat (eg 1000 ° C) of the heat source. However, since the working medium in the evaporation section 7 When it changes to the vapor state, it also absorbs most of the heat energy, so that its temperature remains substantially constant and the temperature of the evaporation section 7 the desired maximum temperature of z. B. 550 ° C does not exceed. At the end of the evaporation section 7 the working medium should have completely converted to dry steam.
Aus
dem ersten Verdampfungsabschnitt 7 gelangt der Dampf in
den zweiten Verdampfungsabschnitt 9, in dem er bei der
hier angenommenen Leistung der Wärmequelle 2 langsam
weiter erhitzt wird. Da in diesem Bereich die Temperatur in der
Umgebung des Strömungskanals 1 aufgrund
des relativ großen
räumlichen
radialen Abstands von der Wärmequelle 2 erheblich
reduziert ist und z. B. nur noch ca. 600 °C beträgt, besteht keine Gefahr der
Erwärmung
des Strömungskanals 1 über die
kritische Temperatur von z. B. 550 °C hinaus. Dasselbe gilt für den Überhitzungsabschnitt 8,
der der Wärmequelle 2 näher liegt
und daher den Dampf allmählich
in überhitzten
Dampf mit einer Temperatur von 450 °C bis 500 °C umwandelt. Auch in diesem
Bereich ist der Wärmeaustausch
zwischen dem den Strömungskanal 1 umgebenden
Medium und dem Arbeitsmedium ausreichend stark, um eine zu große Erwärmung des Überhitzungsabschnitts 8 zu
vermeiden. Der überhitzte
Dampf wird schließlich
an der Austrittsöffnung 4 abgenommen.From the first evaporation section 7 the steam enters the second evaporation section 9 in which he at the assumed power of the heat source 2 is heated slowly. Because in this area the temperature around the flow channel 1 due to the relatively large spatial radial distance from the heat source 2 is considerably reduced and z. B. only about 600 ° C, there is no risk of heating the flow channel 1 over the critical temperature of z. B. 550 ° C addition. The same applies to the overheating section 8th , the heat source 2 closer and therefore gradually converts the steam into superheated steam at a temperature of 450 ° C to 500 ° C. Also in this area is the heat exchange between the flow channel 1 surrounding medium and the working medium sufficiently strong to overheating of the overheating section 8th to avoid. The superheated steam eventually gets to the outlet 4 decreased.
Vorteilhaft
ist bei dieser Betriebsweise außerdem,
dass zur weiteren Erwärmung
des im ersten Verdampfungsabschnitt 7 gebildeten Dampfs
sowohl der zweite Verdampfungsabschnitt 9 als auch der Überhitzungsabschnitt 8 verwendet
werden können und
daher trotz der geringen Leistung der Wärmequelle 2 eine hohe
Dampftemperatur erreicht wird.It is also advantageous in this mode of operation that for further heating in the first evaporation section 7 formed vapor both the second evaporation section 9 as well as the overheating section 8th can be used and therefore despite the low power of the heat source 2 a high steam temperature is reached.
Die
beschriebenen Verhältnisse
sind so gewählt,
dass sie sich z. B. bei kleinen Leistungen einer Wärmequelle
von ca. 8 kW ± 4
kW ergeben. Bei größeren Leistungen
der Wärmequelle 2 von
z. B. 14,5 kW ± 4
kW besteht daher insbesondere die Gefahr, dass der Verdampfungsabschnitt 7 trotz
sonst gleicher Verhältnisse
zu stark erwärmt
wird und daher durch Verzunderung und andere Effekte beschädigt werden
könnte.
Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, die Verhältnisse
ohne Änderung
der Abmessungen des Strömungskanals 1 jetzt
so zu wählen,
dass das Arbeitsmedium, hier Wasser, im ersten Verdampfungsabschnitt 7 noch
nicht verdampft, sondern lediglich bis auf seine Siedetemperatur
erhitzt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das Arbeitsmedium
an der Eintrittsöffnung 3 mit
einem entsprechend größeren und
insbesondere um so viel höheren
Massenstrom zugeführt
wird, dass am Ende des ersten Verdampfungsabschnitts 7 eine
Temperatur von ca. 160 °C
bis 170 °C
erreicht wird. Dadurch wird der erste Verdampfungsabschnitt 7 trotz
der erhöhten
Leistung der Wärmequelle 2 unter
Vermeidung von Zunderbildungen od. dgl. ausreichend kühl gehalten.The ratios described are chosen so that they z. B. at low power of a heat source of about 8 kW ± 4 kW. For larger outputs of the heat source 2 from Z. B. 14.5 kW ± 4 kW is therefore particularly the risk that the evaporation section 7 despite otherwise the same conditions is heated too much and therefore could be damaged by scaling and other effects. According to the invention, it is therefore proposed that the conditions without changing the dimensions of the flow channel 1 Now choose so that the working fluid, here water, in the first evaporation section 7 not yet evaporated, but only heated to its boiling temperature. This is achieved by the working medium at the inlet opening 3 is supplied with a correspondingly larger and especially much higher mass flow, that at the end of the first evaporation section 7 a temperature of about 160 ° C to 170 ° C is reached. This will be the first evaporation section 7 despite the increased power of the heat source 2 while avoiding scaling od. Like. Keep sufficiently cool.
Die
Verdampfung findet in diesem Fall hauptsächlich im zweiten Verdampfungsabschnitt 9 statt, der
bei erhöhter
Abgabe von Wärmeenergie
entsprechend wärmer
ist und zur Überführung des
Arbeitsmediums in Dampf ausreicht. Die Bildung von überhitztem
Dampf kann dann allein im Überhitzungsabschnitt 8 stattfinden.
Wegen der in diesem Fall höheren
Temperaturen im Umgebungsbereich des Überhitzungsabschnitts 8 ist
dies trotz der Tatsache möglich,
dass bei dieser Verfahrensweise für die Überhitzung des Dampfes nur
der vergleichsweise kurze Überhitzungsabschnitt 8 zur
Verfügung
steht.The evaporation takes place in this case mainly in the second evaporation section 9 instead, which is correspondingly warmer with increased release of heat energy and sufficient to transfer the working medium in steam. The formation of superheated steam may then be alone in the overheating section 8th occur. Because of the higher temperatures in this case in the surrounding area of the overheating section 8th this is possible despite the fact that in this procedure for the overheating of the steam, only the comparatively short overheating section 8th is available.
Dieselbe
Verfahrensweise ist möglich,
wenn eine Vorrichtung entsprechend 3 vorgesehen wird.
Auch hier können
die Verhältnisse
derart gewählt
werden, dass bei geringem Bedarf an Wärmeenergie und entsprechend
kleiner Leistung der Wärmequelle
der Übergang
vom flüssigen
in den dampfförmigen
Zustand überwiegend
im ersten Verdampfungsabschnitt 19 stattfindet, während bei
hohen geforderten Leistungen der Wärmequelle die Änderung des
flüssigen
Aggregatzustands in den dampfförmigen
Aggregatzustand überwiegend
im zweiten Verdampfungsabschnitt 21 erfolgt.The same procedure is possible if a device according to 3 is provided. Again, the conditions can be chosen such that with low heat energy requirement and correspondingly low power of the heat source, the transition from the liquid to the vapor state predominantly in the first evaporation section 19 takes place, while at high required power of the heat source, the change of the liquid state of matter in the vaporous state of aggregation predominantly in the second evaporation section 21 he follows.
Der
beschriebene Aufbau der Vorrichtung ermöglicht auch eine einfache Steuerung
im Sinne der oben erläuterten
Arbeitsweise. Hierzu wird gemäß 1 und 3 am
Ende des ersten Verdampfungsabschnitts 7, 19 oder
am Anfang des zweiten Verdampfungsabschnitts 9, 21 oder
auch dazwischen ein erster Temperatursensor 25 und am Ende
des zweiten Verdampfungsabschnitts 9, 19 oder
am Anfang des Überhitzungsabschnitts 8, 22 oder
dazwischen ein zweiter Temperatursensor 26 angebracht, wie
in 1 und 3 schematisch angedeutet ist. Beide
Temperatursensoren 25, 26 bestehen z. B. aus in
den Strömungskanal 1 bzw. 14 eingelassenen Thermoelementen,
messen daher die Temperatur des strömenden Arbeitsmediums und sind
in einem Regelkreis derart angeordnet, dass sie in Abhängigkeit
von der geforderten Leistung der Wärmequelle 2 wahlweise
aktiviert bzw. zugeschaltet werden können. Der Regelkreis dient
dem Zweck, den Massenstrom des Arbeitsmediums im Strömungskanal 1 zu regeln,
indem beispielsweise eine vorgeschaltete Pumpe entsprechend gesteuert
wird. Im übrigen
arbeitet der Regelkreis im wesentlichen wie folgt:
Ist die
Leistung der Wärmequelle 2 vergleichsweise gering,
dann wird der Sensor 25 zugeschaltet. Da in diesem Fall
die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums (z. B. 160 °C bis 170 °C) am Ort
des Sensors 25 nur geringfügig überschritten sein sollte, wird
die Transportgeschwindigkeit des Arbeitsmediums im Strömungskanal 1 so
geregelt, dass die vom Sensor 25 gemessene Ist-Temperatur
stets einem Sollwert entspricht, der z. B. um einige Grad größer als
ca. 160 °C
bis 170 °C
ist. Nimmt die geforderte Leistung der Wärmequelle 2 bei dieser
Betriebsweise geringfügig
zu oder ab, dann steigt oder fällt
die Temperatur am Ort des Sensors 25 entsprechend, z. B. aufgrund
einer zu früh
einsetzenden Temperaturerhöhung
des Dampfes bzw. einer noch nicht vollständig abgeschlossenen Dampfbildung.
Das erhaltene Sensorsignal wird dann dazu genutzt, den Massenstrom
des Arbeitsmediums entsprechend zu vergrößern oder zu verkleinern, damit
unabhängig
von der Leistung der Wärmequelle 2 am
Ort des Sensors 25 die Dampfbildung im wesentlichen abgeschlossen
ist und eine geringfügige Überhitzung
des Dampfs bereits begonnen hat.The described construction of the device also allows a simple control in the sense of the above-described operation. This is done according to 1 and 3 at the end of the first evaporation section 7 . 19 or at the beginning of the second evaporation section 9 . 21 or in between a first temperature sensor 25 and at the end of the second evaporation section 9 . 19 or at the beginning of the overheating section 8th . 22 or a second temperature sensor in between 26 attached, as in 1 and 3 is indicated schematically. Both temperature sensors 25 . 26 exist z. B. from in the flow channel 1 respectively. 14 embedded thermocouples, therefore, measure the temperature of the working fluid flowing and are arranged in a control circuit such that it depends on the required power of the heat source 2 can be selectively activated or switched on. The control circuit serves the purpose of mass flow of the working medium in the flow channel 1 to regulate, for example, by an upstream pump is controlled accordingly. Otherwise, the control loop essentially works as follows:
Is the power of the heat source 2 comparatively low, then the sensor 25 switched on. In this case, since the evaporation temperature of the working medium (eg, 160 ° C to 170 ° C) at the location of the sensor 25 should be only slightly exceeded, the transport speed of the working fluid in the flow channel 1 so regulated that from the sensor 25 measured actual temperature always corresponds to a target value, the z. B. is several degrees greater than about 160 ° C to 170 ° C. Takes the required power of the heat source 2 slightly increases or decreases in this mode of operation, then the temperature rises or falls at the location of the sensor 25 accordingly, z. B. due to an early onset of temperature increase of the steam or not yet completely completed steam formation. The resulting sensor signal is then used to increase or decrease the mass flow of the working medium accordingly, so that regardless of the power of the heat source 2 at the location of the sensor 25 The vapor formation is essentially complete and a slight overheating of the steam has already begun.
Steigt
die Wärmeabgabe
der Wärmequelle 2 sehr
stark an, z. B. auf eine Leistung von 14,5 kW ± 4 kW, dann ist zwar möglicherweise
durch eine entsprechende Steigerung des Massenstroms erreichbar,
dass die Dampfbildung wie bei der zuerst beschriebenen Verfahrensweise
an einer Stelle kurz vor dem Sensor 25 abgeschlossen ist.
Dagegen wird kaum vermeidbar sein, dass zumindest die Temperatur
des Überhitzungsabschnitts 8 aufgrund
der erhöhten
Wärmezufuhr
stark zunimmt und dieser Abschnitt 8 des Strömungskanals 1 dadurch
zerstört wird.
Erfindungsgemäß wird daher
ab einer bestimmten Leistung der Wärmequelle 2 die Regelvorrichtung auf
den zweiten Sensor 26 umgeschaltet. Dadurch wird der Massenstrom
des Arbeitsmediums jetzt so stark erhöht, dass die Verdampfung erst
am Ende des zweiten Verdampfungsabschnitts 9 bzw. 21 beendet
ist. Als Folge dessen findet die Überhitzung des Dampfs allein
in dem kurzen Überhitzungsabschnitt 8 bzw. 22 statt,
weshalb der Dampf ausreichend Wärme
aufnehmen kann und der Überhitzungsabschnitt 8, 22 unterhalb
der kritischen Temperatur von z. B. 550 °C bleibt.Increases the heat output of the heat source 2 very strong, z. For example, to a power of 14.5 kW ± 4 kW, then possibly by a corresponding increase in the mass flow can be achieved that the vapor formation as in the first-described procedure at a point shortly before the sensor 25 is completed. By contrast, it will hardly be avoidable that at least the temperature of the overheating section 8th due to the increased heat input greatly increases and this section 8th of the flow channel 1 is destroyed by it. According to the invention is therefore from a certain power of the heat source 2 the control device on the second sensor 26 switched. As a result, the mass flow of the working medium is now increased so much that the evaporation at the end of the second evaporation section 9 respectively. 21 finished. As a result, the overheating of the steam takes place solely in the short overheating section 8th respectively. 22 instead of, so the steam can absorb enough heat and the overheating section 8th . 22 below the critical temperature of z. B. 550 ° C remains.
Ein
besonderer Vorteil der beschriebenen Regelung besteht darin, dass
etwaige Temperaturänderungen
am Ort der Sensoren 25, 26 sehr schnell eintreten.
Die Regelvorrichtung spricht daher entsprechend schnell auf etwaige Änderungen
an.A particular advantage of the described scheme is that any temperature changes at the location of the sensors 25 . 26 to enter very quickly. The control device therefore responds accordingly quickly to any changes.
Alternativ
zu den beschriebenen Maßnahmen
ist es möglich,
die Umschaltungen zwischen den Sensoren 25, 26 von
anderen Größen als
der Leistung der Wärmequelle 2 abhängig zu
machen, beispielsweise vom Dampfdruck in einem nachfolgenden Zylinder
eines elektromechanischen Wandlers.As an alternative to the measures described, it is possible to switch between the sensors 25 . 26 other than the heat source power 2 For example, the vapor pressure in a subsequent cylinder of an electromechanical transducer.
Im übrigen versteht
sich, dass durch Anwendung von weiteren, insbesondere zwischen den
Sensoren 25, 26 angeordneten Temperatursensoren
dafür gesorgt
werden kann, dass die eigentliche Verdampfungszone, d. h. die Zone,
in welcher der Wechsel des Aggregatzustandes stattfindet, innerhalb
des von den beiden Verdampfungsabschnitten 7 und 9 bzw. 19 und 21 eingenommenen
Bereichs des Strömungskanals 1 beliebig
verschoben werden kann. Diese Maßnahme hat sich als äußerst effektiv
erwiesen, um auch bei stark schwankenden Leistungen der Wärmequelle 2 einerseits
eine sichere Erzeugung von überhitztem
Dampf zu gewährleisten,
andererseits aber die Temperaturen insbesondere der der Wärmequelle 2 am
nächsten
liegenden Abschnitte 7, 8 bzw. 19, 22 des
Strömungskanals 1, 14 auf Werte
zu begrenzen, die an die Warmfestigkeit der verwendeten Materialien
angepasst sind und Beschädigungen
dieser Materialien sicher vermeiden, wodurch ein langer, wartungsfreier
Betrieb der Verdampfungsvorrichtung ermöglicht ist. Das gilt selbst dann,
wenn die von der Wärmequelle 2 erzeugten Temperaturen
dort, wo die genannten Strömungskanalabschnitte
angeordnet sind, wesentlich größer als die
genannten 550 °C
sind. Abgesehen davon bietet die Erfindung den Vorteil, dass die
Verdampfungsvorrichtung insbesondere dann, wenn die Wärmeenergie
beim Betrieb nur vergleichsweise geringen Schwankungen unterliegt
(z. B. 8 kW ± 4
kW), auch ohne die Regelvorrichtung angewendet werden kann, selbst
wenn die beschriebene Regelung auch in einem solchen Fall vorteilhaft
wäre.Incidentally, it is understood that by using further, in particular between the sensors 25 . 26 arranged temperature sensors can be taken to ensure that the actual evaporation zone, ie the zone in which the change of state of aggregation takes place, within that of the two evaporation sections 7 and 9 respectively. 19 and 21 occupied area of the flow channel 1 can be moved freely. This measure has proved to be extremely effective, even with greatly fluctuating performance of the heat source 2 On the one hand to ensure a safe production of superheated steam, on the other hand, the temperatures in particular the heat source 2 nearest sections 7 . 8th respectively. 19 . 22 of the flow channel 1 . 14 to limit to values that are adapted to the heat resistance of the materials used and safely avoid damage to these materials, allowing a long, maintenance-free operation of the evaporator is possible. This is true even if that of the heat source 2 produced temperatures are substantially greater than the said 550 ° C where said flow channel sections are arranged. Apart from that, the invention offers the advantage that the vaporizing device can be used even without the regulating device, in particular if the heat energy undergoes only comparatively slight fluctuations during operation (eg 8 kW ± 4 kW), even if the regulation described also applies would be advantageous in such a case.
Wie
die Verhältnisse
im Einzelfall genau zu wählen
sind, wird vorzugsweise experimentell ermittelt.As
the ratios
to choose exactly in the individual case
are preferably determined experimentally.
Da
Dampf, insbesondere trockener Dampf, eine schlechtere Energieaufnahme
als z. B. Wasser hat, kann es zweckmäßig sein, die Wärmeaustauschflächen insbesondere
im ersten und zweiten Verdampfungsabschnitt zu vergrößern. Dies
kann dadurch erfolgen, dass dem Strömungskanal 1 hier ein
größerer Querschnitt
als in den übrigen
Abschnitten gegeben wird. Das ist in 1 schematisch
für die
Abschnitte 7 und 9 angedeutet. Weiter hat es sich als
besonders zweckmäßig erwiesen,
zumindest die Innenseiten der Verdampfungsabschnitte 7, 9 bzw. 19, 21 aus
normalem Eisen oder einem in der Wirkung ähnlichen Material herzustellen.
Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass sich auf den Innenwänden der Verdampfungsabschnitte 7, 9, 19, 21 bei
der Verdampfung eine Schicht bildet, die auch unter den gegebenen
wechselhaften Bedingungen stabil ist und nicht abplatzt. Eine Beschädigung von
mit dem Dampf betriebenen Einrichtungen wird dadurch sicher vermieden.Since steam, especially dry steam, a worse energy intake than z. B. has water, it may be appropriate to increase the heat exchange surfaces, in particular in the first and second evaporation section. This can be done by the flow channel 1 Here a larger cross-section than in the other sections is given. Is in 1 schematic for the sections 7 and 9 indicated. Furthermore, it has proven to be particularly expedient, at least the insides of the evaporation sections 7 . 9 respectively. 19 . 21 made of normal iron or a material similar in effect. As a result, the advantage is achieved that on the inner walls of the evaporation sections 7 . 9 . 19 . 21 during vaporization forms a layer which is stable even under the given changeable conditions and does not flake off. Damage to steam operated equipment is thereby safely avoided.
Die übrigen Abschnitte
des Strömungskanals 1 können z.
B. aus Edelstahl hergestellt sein. Da in diesen Abschnitten keine
Verdampfung stattfindet, ist hier die Gefahr der Bildung unerwünschter
Ablagerungen oder von Korrosion od. dgl. praktisch nicht vorhanden.The remaining sections of the flow channel 1 can z. B. be made of stainless steel. Since no evaporation takes place in these sections, here the risk of the formation of undesirable deposits or corrosion od. Like. Virtually not available.
Die
Ausführungsbeispiele
nach 1 und 2 bzw. 3 können auf
zahlreiche Weise abgewandelt werden. Je nach Ausbildung und Leistung der
Wärmequelle
kann z. B. der zweite Verdampfungskanal 9 bzw. 21 ganz
weggelassen werden. Weiter brauchen die verschiedenen Abschnitte
der Strömungskanäle 1, 14 je
nach Fall nur aus wenig stens je einer spiralförmigen Windung (1)
bzw. wenigstens je einer mäanderförmig verlegten
Schleife (3) bestehen. Dasselbe gilt für den zweiten Verdampfungsabschnitt 9, 21,
falls ein solcher vorhanden ist. Weiter ist es möglich, den Strömungskanal 1, 15 in
mehreren, übereinander
liegenden Schichten bzw. Ebenen auszubilden, indem jeweils mehrere
spiral- oder mäanderförmige Kanalabschnitte übereinander
gelegt und strömungsmäßig so miteinander
verbunden werden, dass sich die beschriebene räumliche und strömungsmäßige Anordnung ergibt.
Die Zahl der verwendeten Schichten kann dabei an die Erfordernisse
des Einzelfalls angepasst werden. Außerdem können die verschiedenen Abschnitte
z. B. Längen
von einigen Metern und Durchmesser von einigen Millimetern aufweisen.
Dabei ist stets zu beachten, dass die Größen der Oberflächen, der
Wandstärken
und der Längen
der verschiedenen Abschnitte in Verbindung mit dem Massenstrom des Arbeitsmediums
die Wärmeübertragung
von der Wärmequelle 2 auf
das Arbeitsmedium bestimmen.The embodiments according to 1 and 2 respectively. 3 can be modified in many ways. Depending on the training and performance of the heat source z. B. the second evaporation channel 9 respectively. 21 be left out completely. Next, the different sections of the flow channels need 1 . 14 depending on the case only a little bit least ever a spiral turn ( 1 ) or at least one meandering loop ( 3 ) consist. The same applies to the second evaporation section 9 . 21 if one exists. Next it is possible the flow channel 1 . 15 be formed in a plurality of superimposed layers or planes by a plurality of spiral or meandering channel sections superimposed and fluidly connected to each other, that results in the described spatial and fluid arrangement. The number of layers used can be adapted to the requirements of the individual case. In addition, the different sections z. B. have lengths of a few meters and a diameter of a few millimeters. It should always be noted that the sizes of the surfaces, the wall thicknesses and the lengths of the various sections in connection with the mass flow of the working medium, the heat transfer from the heat source 2 determine the working medium.
In
thermodynamischer Hinsicht ist beachtlich, dass der vorzugsweise
aus rostfreiem Stahlrohr, insbesondere Chrom/Nickel-Stahl (Austenitbildner) hergestellte
Vorwärmabschnitt 6, 17 und
ggf. der erste Verdampfungsabschnitt 7, 19 zur
isobaren Erwärmung
des Arbeitsmediums auf die Siedetemperatur beim jeweils vorhandenen
Druck dienen. Die von der Wärmequelle 2 abgegebenen
Heißgase
od. dgl. werden im Bereich des Vorwärmabschnitts auf ihre niedrigste
Temperatur abgekühlt
und dann an die Umgebung abgegeben.From a thermodynamic point of view, it is noteworthy that it is preferably made of stainless steel pipe, in particular chromium / nickel steel (austenite former) produced preheating section 6 . 17 and optionally the first evaporation section 7 . 19 serve for isobaric heating of the working medium to the boiling temperature at each existing pressure. The from the heat source 2 discharged hot gases od. Like. Be cooled in the preheating section to its lowest temperature and then released to the environment.
4 und 5 zeigen
die Zustandsdiagramme des Clausius-Rankine-Prozesses. Die obere
Hälfte
dieses Kreislaufprozesses spiegelt die Bereiche wider, die von der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
abgedeckt werden. 4 and 5 show the state diagrams of the Rankine process. The upper half of this cycle process reflects the areas covered by the device of the invention.
Das
Arbeitsmedium mit einer vorzugsweise durch einen Kondensator reduzierten
Anfangstemperatur T1 und dem Ruhedruck p0 wird vom Flüssigkondensatpunkt 30 durch
die Speisepumpe auf einen Arbeits- bzw. Sättigungsdruck p1 gebracht (Speisezustand 31 des
Arbeitsmediums). Die isobare Wärmezufuhr
im Vorwärmabschnitt 6, 17 erhöht die Temperatur
(bzw. Enthalpie und Entropie) bis zu dem durch das Bezugszeichen 32 angedeuteten
Siedepunkt. Die Wärmezufuhr
in diesem Abschnitt ist durch die Wechselwirkung zwischen der Umgebung des
Strömungskanals 1 und
dem Arbeitsmedium bestimmt. Der zeitliche und örtliche Temperaturverlauf wird
insbesondere stark durch den zweiten Verdampfungsabschnitt 6 geprägt.The working medium with a preferably reduced by a capacitor initial temperature T1 and the static pressure p0 is from the liquid condensate 30 brought by the feed pump to a working or saturation pressure p1 (feed state 31 the working medium). The isobaric heat supply in the preheating section 6 . 17 increases the temperature (or enthalpy and entropy) to that by the reference numeral 32 indicated boiling point. The heat input in this section is due to the interaction between the environment of the flow channel 1 and the working medium. The temporal and local temperature profile becomes particularly strong through the second evaporation section 6 embossed.
Der
Verlauf in den Verdampfungsabschnitten vom Siedepunkt 32 bis
zu dem durch das Bezugszeichen 33 angedeuteten Taupunkt
ist isobar-isotherm, jedoch zweistufig mit unterschiedlichem Wärmezufuhr-Anteil.
Der erste Teil erfolgt im Heißgebiet
der Wärmequelle 2.
Im Anschluss an den zweiten Verdampfungsabschnitt 9, 21 folgt
der Überhitzungsbereich 8, 22 entlang
eines Überhitzungsprozesses zwischen
dem Taupunkt 33 und einem Punkt 34. Vom Taupunkt
bzw. Sättigungspunkt 33 bzw.
zum gewählten
Vorüberhitzungspunkt
verläuft
die Wärmezufuhr durch
den Verdampfungwärme-Entzugsvorgang
bei moderaten Temperaturen des Strömungskanals 1 bzw. 14.The course in the evaporation sections from the boiling point 32 to the one by the reference numeral 33 indicated dew point is isobaric-isothermal, but two-stage with different heat input share. The first part takes place in the hot area of the heat source 2 , Following the second evaporation section 9 . 21 follows the overheating area 8th . 22 along an overheating process between the dew point 33 and one point 34 , From the dew point or saturation point 33 or at the selected pre-superheat point, the heat supply proceeds through the evaporation heat extraction process at moderate temperatures of the flow channel 1 respectively. 14 ,
Der
typische Verlauf einer stationären
Temperaturströmung
für das
Arbeitsmedium und die äußere Umgebung
ist in 6 über
die Länge
L des Strömungskanals 1, 14 und
in 7 über
die radiale Ausbreitungsrichtung R der Wärmeenergie dargestellt. Dabei
geben Kurven 36, 37 den Temperaturverlauf Ti im
Arbeitsmedium und Kurven 38, 39 den Temperaturverlauf
Ta in der Umgebung des Strömungskanals 1, 14 an.
Die hohe Temperaturdifferenz für
den ersten Verdampfungsabschnitt 7, 17 ist ein wesentliches
Merkmal der Erfindung.The typical course of a stationary temperature flow for the working medium and the external environment is in 6 over the length L of the flow channel 1 . 14 and in 7 represented over the radial propagation direction R of the heat energy. There are curves 36 . 37 the temperature profile Ti in the working medium and curves 38 . 39 the temperature profile Ta in the vicinity of the flow channel 1 . 14 at. The high temperature difference for the first evaporation section 7 . 17 is an essential feature of the invention.
Die
beschriebene Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise auch bei normalen,
z.B. mit Öl,
Gas oder Pellets betriebenen Heizungsanlagen verwendet werden, beispielsweise
für eine
Notlauf- oder Startbetrieb. Die Wärmequelle wird hierbei durch
den jeweiligen Brenner gebildet, während der erzeugte Dampf einem
Dampf/Flüssigkeit-Wärmeaustauscher zugeführt und
zur Erwärmung
des Brauchwassers (Warmwassers) benutzt wird. Der besondere Vorteil besteht
in diesem Zusammenhang darin, dass die Kombination aus Verdampfungsvorrichtung
und Wärmeaustauscher
im Vergleich zu bisherigen Anlagen extrem klein gebaut werden kann.The
described device can advantageously also at normal,
e.g. with oil,
Gas or pellet operated heating systems are used, for example
for one
Emergency or start operation. The heat source is here by
formed the respective burner, while the generated steam one
Steam / liquid heat exchanger fed and
for warming
of the service water (hot water) is used. The special advantage exists
in this context, that the combination of evaporation device
and heat exchangers
can be built extremely small compared to previous systems.
Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die
auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Insbesondere können zahlreiche
andere Formen für
den Strömungskanal 1 vorgesehen
werden. Mögliche
andere Anordnungen sind Kugelschichtwicklungen der Hohlformkörper bzw.
Rohre, mäanderförmig gebogene Windungen
in zylindrischer, kubischer Anordnung oder frei geführte Anordnungen
des Flüssigkeits- bzw.
Dampfströmungskanals
durch die verschiedenen Mikroklimazonen. Dabei ist die Grundaufgabe der
Zwangsführung
durch die Temperaturzonen (warm für die Vorwärmstufe, heiß für die erste
Verdampfungsstufe, wärmer
für die
zweite Verdampfungsstufe und gemäßigt heiß für die Überhitzungsstufe)
stets in der beschriebenen Weise zu lösen, wobei eine geringe räumliche
Distanz der verschiedenen Schichten und Bereiche anzustreben ist.
Allerdings kann dabei die räumliche
Anordnung der verschiedenen Abschnitte relativ zueinander auch eine andere
sein, insbesondere wenn der Strömungskanal
mit zusätzlichen,
nicht dargestellten Abschnitten versehen wird. Beispiele für alternative
Ausbildungen des Strömungskanals
sind in 8 und 9 schematisch
dargestellt. Weiterhin sind die obigen Angaben für die Drücke, Temperaturen, Massenströme und Strömungsgeschwindigkeiten
natürlich
nur als Beispiele aufzufassen, von denen in Einzelfall je nach Bedarf
abgewichen werden kann. Weiter ist klar, daß insbesondere beim Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 die
Strömungsrichtung
für die Wärmeenergie
auch umgekehrt, d.h. die Wärmequelle 2 radial
außen
angeordnet und die Wärmeströmung entgegengesetzt
zu den Pfeilen 5 gerichtet werden kann. In diesem Fall
würde sowohl
die räumliche
Anordnung als auch die strömungsmäßige Hintereinanderschaltung
in einer im Vergleich zu 1 und 2 entsprechend
entgegengesetzten Reihenfolge vorgenommen, d.h. der Vorwärmabschnitt
radial innen und der Verdampfungsabschnitt radial außen liegen.
Dabei könnten
auch mehrere, am radial außen
liegenden Umfang der Vorrichtung verteilt angeordnete Wärmequellen
vorhanden sein. Außerdem
versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale in anderen als den
beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden
können.The invention is not limited to the described embodiments, which can be modified in many ways. In particular, numerous other forms for the flow channel 1 be provided. Possible other arrangements are ball-layer windings of the hollow bodies or tubes, meander-shaped curved turns in a cylindrical, cubic arrangement or free arrangements of the liquid or steam flow channel through the various microclimate zones. The basic task of forced operation through the temperature zones (warm for the preheating stage, hot for the first evaporation stage, warmer for the second evaporation stage and moderately hot for the overheating stage) is always to be solved in the manner described, with a small spatial distance of the various layers and Areas to strive for is. However, the spatial arrangement of the different sections relative to one another may also be different, in particular if the flow channel is provided with additional sections, not shown. Examples of alternative designs of the flow channel are in 8th and 9 shown schematically. Furthermore, the above data for the pressures, temperatures, mass flows and flow velocities are of course only to be regarded as examples, of which in individual cases can be deviated as required. Furthermore, it is clear that in particular in the embodiment according to 1 and 2 the flow direction for the heat energy and vice versa, ie the heat source 2 arranged radially outward and the heat flow opposite to the arrows 5 can be directed. In this case, both the spatial arrangement and the fluid series in a comparison would 1 and 2 made in accordance with opposite order, ie the preheating radially inward and the evaporation section are radially outward. In this case, a plurality of heat sources distributed on the radially outer periphery of the device could also be present. It will also be understood that the various features may be applied in combinations other than those described and illustrated.