DE102008024116A1

DE102008024116A1 - Umwandlung der Druckenergie von Gasen und Dämpfen bei niedrigen Ausgangsdrücken in mechanische Energie

Info

Publication number: DE102008024116A1
Application number: DE200810024116
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Oser; Hubert Dipl.-Ing. Hamm
Original assignee: Hamm & Dr Oser GbR (vertretungsberechtiger Gesellschafter Dr Erwin Oser 50670 Koln); Hamm & Dr Oser GbR Vertretungs
Current assignee: Hamm & Dr Oser GbR (vertretungsberechtiger Gesellschafter Dr Erwin Oser 50670 Koln); Hamm & Dr Oser GbR Vertretungs
Priority date: 2008-05-17
Filing date: 2008-05-17
Publication date: 2009-11-19
Also published as: WO2009140944A2; DE112009001759A5; WO2009140944A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um die Entspannung unter Überdruck stehender Gase oder Dämpfe zur Umwandlung der Druckenergie in mechanische Arbeit auch noch bei niedrigen Ausgangsdrücken durch Entspannung energieeffizient durchzuführen, sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung sieht dazu vor, für die Entspannung Entspannungsaggregate mit günstigen Strömungsverhältnissen bei geringer innerer Expansion, bevorzugt in der Form von Wälzkolbenexpandern, zu verwenden. Solche Aggregate erreichen bereits bei den genannten Betriebsbedingungen ausgezeichnete Maschinenwirkungsgrade. Wenn Entspannungsverhältnisse die bevorzugten Anwendungsbereiche der Expansionsaggregate überschreiten, kann die Entspannung vorteilhaft in zwei hintereinander angeordneten Aggregaten erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft Anwendungsbereiche, bei denen Gase oder Dämpfe von einem höheren Ausgangsdruck auf einen niedrigeren Enddruck entspannt werden, wobei der Ausgangsdruck kleiner als etwa 10 bar, bevorzugt kleiner als 3 bar, ist. In technisch relevanten Anwendungen mit „Abgasen oder Abdämpfen” sind häufig solche Betriebsbedingungen gegeben, bei denen die Ausgangsdrücke im Bereiche von 2–3 bar liegen, die dann in den Umgebungsdruck 1 bar oder in Unterdruckbereiche entspannt werden.
Eine Anwendung betrifft Wärmeverteilungs- bzw. Heizungsnetze in Industrie oder gewerblichen Unternehmen mit dampfförmigen Wärmeträgern, üblicherweise Wasserdampf. Hier sind die Wärmeverteilungsnetze in unterschiedliche Druckstufenbereiche, Hochdruck, Mitteldruck bzw. Niederdruck, unterteilt.
Diese Druckstufen entsprechen den Temperaturniveaus der zu versorgenden Verbrauchsstellen. Wenn der Dampf im Niederdrucknetz Temperaturen im Bereich unter 120°C, dies entspricht Drücken von weniger als etwa 2 bar, erreicht hat, mit denen keine sinnvolle Wärmenutzung mehr möglich ist, so ist es in vielen Betrieben in Ermangelung einer sinnvollen Nutzung üblich, den Dampf über Auslassventile in die Umgebung abzulassen. Diese an den dabei auftretenden „Dampffahnen” erkennbaren Auslassventile sind immer noch Kennzeichen vieler Industriebetriebe mit hohem Wärmeverbrauch.
Mit steigenden Energiepreisen wird jedoch die Thematik immer interessanter, da die im Abdampf oder Abgas gespeicherten Druckenergien als potentielle Energielieferanten werthaltiger werden. Dies gilt vor allem im Hinblick auf die Anwendungsbereiche mit Niederdruckdampf, da hierbei nicht nur die vorhandene Druckenergie, sondern auch die im Dampf gespeicherte Wärmemenge einen Wert darstellt, der bisher ohne Nutzung an die Umwelt abgegeben wird. Zusätzlich stellt insbesondere das Dampfkondensat einen Wertstoff dar, da die betreffenden Wassermengen für die Verdampfung aufbereitet werden müssen und der beim Ausströmen des Dampfes verloren geht.
Die Erfindung hat sich nun zum Ziel gesetzt, in Anwendungsfällen mit vergleichsweise niedrigen Druckniveaus im Bereich von etwa 10 bar, bevorzugt kleiner als etwa 3 bar, eine wirtschaftliche technische Lösung zu realisieren. Die Erfindung sieht dazu vor, für die Entspannung Aggregate zu verwenden, die volumetrisch keine oder nur eine geringe innere Expansion aufweisen.
Solche Entspannungsaggregate im Sinne der Erfindung sind etwa Wälzkolbengebläse, auch Drehkolbengebläse oder Rootsgebläse genannt, sowie Ovalrad- oder Zahnradpumpen.
Solche Entspannungsaggregate ohne innere Expansion zeigen auch bei kleinen Ausgangsdrücken gute volumetrische Wirkungsgrade und sind hier Schraubenexpandern überlegen. Diese Aggregate arbeiten auch bereits bei niedrigen Druckdifferenzen energieeffizient, denn sie arbeiten mit hohen Wirkzeiten der Entspannung, da während des Gastransports im Aggregat immer nahezu die volle Druckdifferenz wirksam bleibt. Die Strömungsverhältnisse im Aggregat sind aufgrund geringer Gasreibung mit wenigen Verlusten behaftet. Wälzkolbengebläse, insbesondere in der Form als mehrflügelige Ausführung, erreichen schon bei Druckdifferenzen im Millibar-Bereich und bei einem Füllgrad von weniger als 20% volle Wirkleistung, wenn sie mit Drehzahlen betrieben werden, bei denen eine dynamische Dichtung über die Rotorspalte wirksam ist. Eine solche dynamische Dichtung baut sich auf, je mehr sich die Geschwindigkeit der zwischen Rotor und Wandflächen gebildeten Spalte aufgrund der Drehzahl der Rotoren der Schallgeschwindigkeit nähert; der Aufbau der dynamischen Dichtung beginnt bei Relativgeschwindigkeiten zwischen Rotor und Wandflächen von etwa 1/10 der Schallgeschwindigkeit wirksam zu werden.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. In einer ersten geeigneten Ausführung kann das Entspannungsaggregat direkt an den Auslassstutzen der Dampfleitung angeflanscht werden. Solche Auslassstutzen sind in Heizsystemen mit Dampf dann üblich, um Niederdruckdampf, der aufgrund von Temperatur und Druck keinem Verbraucher mehr wirtschaftlich sinnvoll zugeführt werden kann, nach außen in die Umgebung abzulassen. Die vielfältigen Dampffahnen in energieintensiven Betrieben der Chemie oder Metall erzeugenden Industrie sind Beispiele für solche Auslass stellen. In der vorgeschlagenen Ausführung wird der Dampf aus dem Auslassstutzen über das angeflanschte Gebläse nach außen geführt, wobei sich der Dampf vom Ausgangsdruck über das Gebläse auf den Umgebungsdruck 1 bar entspannt. Dabei wird die Druckenergie in Rotationsenergie umgewandelt, die als mechanische Antriebsenergie genutzt werden kann, bspw. für einen Generator, mit dem die mechanische Energie weiter in elektrische Energie umgewandelt wird.
In einer bevorzugten Ausführung wird der entspannte Dampf nicht einfach in die Umgebung abgelassen, sondern kondensiert. Dies erfolgt günstig durch Wärmeaustausch mit einer Flüssigkeit, üblicherweise Wasser, oder Umgebungsluft in einem mit Wasser oder Luft betriebenen Kühlturm. Eine solche weiterentwickelte Ausführung kann deshalb vorteilhaft sein, weil der in industriellen Heizsystemen für Heizzwecke verwendete Dampf üblicherweise durch technische Maßnahmen so aufbereitet wird, dass in Heizsystemen Korrosionen und/oder Ablagerungen vermieden werden. Deshalb ist die Rückgewinnung des Dampfes als Kondensat vorteilhaft, da im Hinblick auf eine erneute Verdampfung die Aufbereitungskosten vermieden werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann die Kondensation des über das Entspannungsaggregat entspannten Niederdruckdampfes günstig realisiert werden, indem die anfallende Kondensationsenergie nicht, wie in der vorher beschriebenen Anordnung an die Umgebung abgeführt wird, sondern durch Wärmeübertragung eine chemische Flüssigkeit geringerer Siedetemperatur verdampft. Abhängig von der Differenz zwischen Dampftemperatur und Siedetemperatur der chemischen Flüssigkeit bildet sich bei der Wärmeübertragung Dampf der chemischen Flüssigkeit unter einem bestimmten Verdampfungsdruck, der vorteilhafterweise sehr viel höher sein kann, als der Druck des kondensierten Niederdruckdampfes. Dieser unter erhöhtem Verdampfungsdruck stehende Dampf kann nun wiederum in einem geschlossenen Kreislauf in einem Aggregat entspannt werden. Die dabei anfallende mechanische Energie kann entweder als mechanische Antriebsenergie genutzt oder mit Hilfe eines angeflanschten Generators weiter in elektrische Energie umgewandelt werden. Der entspannte Treibdampf der chemischen Flüssigkeit wird anschließend kondensiert und das Kondensat in einem geschlossenen Kreislauf mit einer Rückförderpumpe zurück in den Verdampfungsraum geleitet, der im unmittelbaren Wärmekontakt mit dem kondensierenden Niederdruckdampf steht. Die Kondensationsenergie des entspannten Treibdampfes aus der chemischen Flüssigkeit wird über eine geeignete Kühleinrichtung abgeführt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen, in der unter Bezugnahme auf 1 ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben wird. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigt
1 eine Anlage zur Direktentspannung von Niederdruck-Heizdampf mit Kondensat-Rückgewinnung
In 1 wird Dampf aus einer Dampfleitung (1) über ein Auslassventil (2) direkt über eine Entspannungsvorrichtung (3) entspannt, wobei bei der Entspannung freigesetzte mechanische Energie mit einem Generator (4) weiter in elektrische Energie umgewandelt wird. Der entspannte Dampf gelangt über eine Ableitung (5) in einen Kondensator (6), der von einem Kühlmedium (7) gekühlt wird, so dass die anfallende Kondensationsenergie des Dampfes über das Kühlmedium (7) nach außen abgeführt wird. Das im Kondensator (6) gebildete Kondensat wird über eine Zuleitung einem Kondensatsammelbehälter (8) zugeführt.

1: Dampfleitung
2: Auslassventil
3: Entspannungsaggregat
4: Generator
5: Ableitung
6: Kondensator
7: Kühlmedium
8: Kondensatsammelbehälter

Claims

Verfahren zur Umwandlung der Druckenergie von Gasen und Dämpfen in mechanische Arbeit und/oder elektrische Energie bei niedrigen Ausgangsdrücken und geringen Entspannungsverhältnissen durch Druckentspannung dadurch gekennzeichnet, dass – die Entspannung als Niederdruck-Entspannung und in einer volumetrisch fördernden Entspannungsvorrichtung ohne oder mit geringer innere(r) Expansion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Entspannungsvorrichtung ein Wälzkolbengebläse, auch Drehkolbengebläse oder Rootsgebläse genannt, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Entspannungsvorrichtung eine Ovalradpumpe oder eine Zahnradpumpe verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsdruck des Gases oder Dampfes vor der Entspannung kleiner als 10 bar, bevorzugt kleiner als 5 bar, noch mehr bevorzugt kleiner als 3 bar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Entspannungsverhältnissen größer als 3 eine Entspannung in 2 Stufen mit zwei hintereinander angeordneten Entspannungsvorrichtungen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsvorrichtung mit einem Generator verbunden wird, so dass die bei der Entspannung erzeugte mechanische Arbeit weiter in elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der ausströmende Dampf in einem Kondensator im Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium (7) kondensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gebildete Kondensat in einem Kondensatsammelbehälter (8) zur erneuten Verwendung aufgefangen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsvorrichtung ein Schraubenexpander ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenexpander ein flüssigkeitsüberlagerter Schraubenexpander ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Entspannungsaggregat ein Separator zur Abtrennung der Dichtflüssigkeit angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich entspannende Dampf aus Wasser gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich entspannende Dampf durch Verdampfen chemischer Flüssigkeiten aus der Gruppe der organischen oder anorganischen Lösemittel oder Kältemittel gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sich entspannende Gasströmung aus Erdgas, Klärgas, Deponiegas, Biogas gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sich entspannende Gasströmung aus den Abgasen einer Verbrennungsturbine oder eines Verbrennungsmotors gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sich entspannende Gas aus einer thermochemischen Vergasung von Holz und anderen Festbrennstoffen gebildet wird.
Anlage zur Umwandlung der Druckenergie von Gasen und Dämpfen in mechanische und/oder elektrische Energie durch Enspannung in mechanische Arbeit und/oder elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Komponenten umfasst: a) eine Fluidleitung (1), insbesondere eine Dampf- oder Gaszuführungsleitung b) eine mit der Fluidleitung verbundene Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (3) zur Erzeugung mechanischer Energie c) ein mit der Niederdruck-Entspannungsvorrichtung verbundener Generator (4)
Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (3) ein Dreh- oder Wälzkolbengebläse, auch Roots-Gebläse genannt, ist.
Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (3) eine Ovalradpumpe oder eine Zahnradpumpe ist.
Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (3) ein Schraubenexpander ist.
Anlage nach Ansprüchen 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Entspannungsvorrichtung (3) aus 2 hintereinander angeordneten Druckentspannungsaggregaten gebildet wird.
Anlage nach Ansprüchen 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche betrieben wird.