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Die Erfindung bezieht sich auf einen Dampferzeuger, insbesondere einen Pulsstrahl-Dampferzeuger zur Erzeugung von Wasser- oder dergleichen Flüssigkeitsdampf.
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Der mit einem solchen Dampferzeuger bereitgestellte Wasserdampf kann vielfältig eingesetzt werden, beispielsweise zum sogenannten Steamcracken von Kohlenwasserstoffen, zum Betonabbinden, zum Antreiben einer Dampfturbine, zur Erhitzung, Boden- und Substratdämpfung, Vulkanisierung, zu Reinigungs- oder Sterilisierungszwecken.
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Aus der
US 6,016,773 A ist bereits ein Pulsstrahl-Triebwerk mit Dampferzeuger vorbekannt, dessen mehrfach gekrümmter Abgaskanal unterschiedliche Krümmungsradien aufweist, um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs, einen reduzierten Kohlenmonoxydausstoß und einen ausreichenden Dampfdruck zu gewährleisten.
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Aus der
US 3 668 145 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Aktivkohle mit Hilfe von zwei Pulsstrahltriebwerken vorbekannt. Dabei wird kohlehaltiges Material in die Abgase zumindest eines der mit ihren Abgasauslässen in einer gemeinsamen Verteilerkammer mündenden Pulsstrahltriebwerke geleitet, um anschließend aus diesen Abgasen die Aktivkohlepartikel auszufiltern.
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In der
US 2 950 592 A ist ein Resonanz-Pulsstrahltriebwerk vorbeschrieben, das zur Verwendung beispielsweise in Heizvorrichtungen sowie in Dampf- oder Nebelerzeugern bestimmt ist. Um die Abgase des vorbekannten Resonanz-Pulsstrahltriebwerkes weniger heiß austreten zu lassen, ist der Triebwerkskammer eine Vorkammer vorgeschaltet.
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Im Stand der Technik sind viele verschiedene Dampferzeuger bekannt, die beispielsweise elektrisch oder mit einer offenen Flamme betrieben werden.
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Die
DE 32 10 545 A1 zeigt beispielsweise einen Dampferzeuger, bei dem eine Flamme einen Verdampfungsbehälter kontinuierlich erwärmt. Durch ein Ventil wird eine genau bemessene Flüssigkeitsmenge in den Verdampfungsbehälter geleitet. Bei Berührung mit den heißen Behälterwänden verdampft die Flüssigkeit. Der dabei entstehende Dampf wird durch eine Leitung aus dem Behälter geleitet.
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Durch die Verdampfung der Flüssigkeit wird der Behälter abgekühlt, so dass eine Pause zum erneuten Aufheizen der Behälterwände notwendig ist, bevor neue Flüssigkeit verdampft werden kann. Das bedeutet aber auch, dass Dampf immer nur portionsweise erzeugt werden kann.
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Bislang ist es noch nicht gelungen, in einer Brennerflamme oder deren unmittelbaren Nähe Wasser zu verdampfen, weil nämlich die vorbekannten Brenner nur mittels Unterdruck ein ausreichend brennbares Gasgemisch erzeugen können, und weil das in der Brennerflamme eventuell verdampfende Wasser die Brennerflamme löscht und einen Neustart des Brenners erforderlich macht. Dies lässt bislang eine kontinuierliche Wasserdampferzeugung nicht zu.
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Eine kontinuierliche Dampferzeugung ist mit einem bekannten System möglich, das auf einem Raketenantrieb basiert. Dabei wird hinter dem Explosionsbereich einer Knallgasmischung aus Sauerstoff und Wasserstoff zur Verdampfung Wasser eingespritzt. Dabei entsteht in einer stark exothermen Reaktion direkt Wasserdampf als Reaktionsprodukt. Im Brennraum entsteht eine Temperatur von etwa 3600 K bei einem Druck von etwa 80 bar. Dem Brennraum ist eine Einspritzanlage nachgeordnet, durch die Wasser in das heiße Abgas der Reaktion eingespritzt werden kann, das dort Tröpfchen bildet und schließlich verdampft. Der Dampf verlässt den Verdampfer mit einer Resttemperatur von etwa 1200 K.
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Bei dieser Anordnung ist zwar eine kontinuierliche Dampferzeugung möglich, jedoch ist der zur Verbrennung notwendige Wasserstoff nicht beliebig verfügbar und aufwändig in der Lagerung und Handhabung.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Dampferzeuger und insbesondere einen Pulsstrahl-Dampferzeuger zu schaffen, der mit einfach verfügbarem Brennstoff betrieben werden kann und eine kontinuierliche Dampferzeugung erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Dampferzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Pulsstrahl-Dampferzeuger weist ein Pulsstrahltriebwerk und einen Verdampfer auf, wobei das Pulsstrahltriebwerk eine Brennkammer und eine Verbrennungslufteinlasskammer aufweist, wobei die Verbrennungslufteinlasskammer eine Luftzufuhr mit einem Flatterventil aufweist, wobei eine Brennstoffzufuhr durch eine Brennstoffdüse in der Brennkammer mündet, wobei die Brennkammer eine Zündvorrichtung und einen Abgasauslass aufweist, wobei die Verbrennungslufteinlasskammer mit der Brennkammer verbunden ist, wobei der Verdampfer einen Abgaseinlass, eine Flüssigkeitszufuhr, eine Verdampferkammer und einen Dampfauslass aufweist, wobei der Abgaseinlass des Verdampfers derart mit dem Abgasauslass des Pulsstrahltriebwerks verbunden ist, dass die Abgase des Pulsstrahltriebwerks unmittelbar in den Verdampfer strömen, wobei die Flüssigkeitszufuhr im Bereich der Verdampferkammer angeordnet ist und wobei die Flüssigkeit durch die Flüssigkeitszufuhr in der Verdampferkammer in das heiße Abgas des Pulsstrahltriebwerks einspritzbar ist.
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Basis des erfindungsgemäßen Pulsstrahl-Dampferzeugers ist demnach ein Pulsstrahltriebwerk, das auch als Argus-Schmied-Rohr bekannt ist, das gewöhnlich zum Antrieb von Flugkörpern verwendet wird.
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Das Pulsstrahltriebwerk ist etwa rohrförmig aufgebaut und weist eine Brennkammer auf. An einem Ende der Brennkammer ist eine Verbrennungslufteinlasskammer, an der wiederum ein Flatterventil mit mehreren beweglichen Ventilklappen angeordnet, durch das Luft in die Brennkammer einströmen kann.
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Weiterhin sind an der Brennkammer eine Brennstoffzufuhr und eine Zündvorrichtung angeordnet.
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Zur Zündung wird Luft über die Verbrennungslufteinlasskammer unter Druck durch das Ventil in die Brennkammer kontinuierlich eingeblasen. Durch den Luftdruck öffnen sich die Ventilklappen selbsttätig. Gleichzeitig wird Brennstoff in die Brennkammer eingespritzt. Das entstehende Luft-Brennstoff-Gemisch wird durch die Zündvorrichtung gezündet. Durch die Explosion entsteht in der Brennkammer ein Überdruck, durch den die Ventilklappen geschlossen werden. Die Flamme und das heiße Abgas strömen somit aus dem offenen Ende des Rohres in die Verdampferkammer.
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Durch das ausströmende Abgas entsteht am Ventil ein Unterdruck, durch den die Ventilklappen wieder geöffnet werden und frische Luft in die Brennkammer nachströmt. Das erneut entstehende Brennstoff-Luft-Gemisch entzündet sich an den noch vorhandenen heißen Abgasen und/oder der heißen Brennkammerwand. Eine aktive Zündung durch die Zündvorrichtung ist somit nur einmalig beim Start notwendig. Die Verbrennung steuert sich weitgehend selbst.
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Bisher war die Betriebsdauer solcher Pulsstrahltriebwerke jedoch stark limitiert, da das Flatterventil aufgrund der hohen Temperaturen bereits nach kurzer Zeit zerstört wurde. Zudem entsteht durch das Ventil und den Resonanzbetrieb ein extremer Geräuschpegel, so dass eine Anwendung in geschlossenen Räumen bisher nicht möglich war.
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Der Erfindung liegt daher ein abgewandeltes Schmid-Argus-Rohr zugrunde, wie es beispielsweise in der
EP 0 227 699 B1 gezeigt ist, das wesentlich weniger Lärm erzeugt und bei dem keine Materialermüdung des Flatterventils auftritt.
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Wesentlich für die Erfindung ist jedoch, dass dem abgewandelten Schmid-Argus-Rohr ein Verdampfer nachgeordnet ist. Dieser Verdampfer hat eine Flüssigkeitszufuhr, durch die Flüssigkeit in das heiße Abgas des Triebwerks eingespritzt werden kann. Aufgrund der hohen Temperaturen verdampft die Flüssigkeit dort sofort und tritt als Dampf mit dem Abgas aus.
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Das Pulsstrahltriebwerk kann mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden, beispielsweise mit Biogas, das kostengünstig und in großen Mengen vorhanden ist. Es kann jedoch auch mit Knallgas oder anderen explosiven Gasmischungen betrieben werden.
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Da die Wassereinspritzung nicht in der Brennkammer, sondern erst außerhalb der Brennkammer in das heiße Abgas geschieht, wird der Verbrennungsprozess in der Brennkammer nicht beeinträchtigt. Auch wenn das in die Verdampferkammer einströmende Abgas durch die eingespritzte Flüssigkeit abkühlt, wird der zyklische Verbrennungsprozess in der Brennkammer nicht behindert.
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Falls die Abgase zu stark abgekühlt werden, so dass die Abgas-Austrittsgeschwindigkeit dermaßen reduziert wird, dass in der Brennkammer kein für das Öffnen des Luftventils ausreichender Unterdruck entsteht, kann durch eine aktive Zuführung der Luft und ein aktives Zünden des Gemisches der Verbrennungsvorgang am Laufen gehalten werden. Normalerweise ist dies jedoch nicht notwendig.
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Aufgrund der Selbsterhaltung des Verbrennungsprozesses kann durch das gesteuerte Einspritzen von Flüssigkeit jederzeit quasi auf Knopfdruck Dampf erzeugt werden, und zwar mit beliebiger Temperatur, da die Menge an eingespritzter Flüssigkeit unmittelbar die Temperatur des Dampf-Abgasgemisches beeinflusst. Die Tatsache, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Pulstrahl-Dampferzeugers quasi auf Knopfdruck Dampf mit beliebiger Temperatur erzeugt werden kann, ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Pulsstrahl-Dampferzeugers ist auch eine kontinuierliche Dampferzeugung möglich, so dass der Pulsstrahl-Dampferzeuger für viele Anwendungen geeignet ist.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind das Pulsstrahltriebwerk als Schmid-Argus-Rohr und der Verdampfer im Wesentlichen rohrförmig mit einem runden Querschnitt ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat die Flüssigkeitszufuhr mehrere ringförmig um die Verdampferkammer angeordnete Flüssigkeitsdüsen. Dadurch ist eine gleichmäßige, fein verteilte Einspritzung der zu verdampfenden Flüssigkeit möglich und die Verdampfung erfolgt schneller und gleichmäßiger.
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Zweckmäßigerweise weist der Verdampfer am Dampfauslass eine Verjüngung zum Erhöhen der Austrittsgeschwindigkeit des Wasserdampfs auf. Durch die höhere Geschwindigkeit wird eine Kondensation im Verdampfer verhindert und erforderlichenfalls eine Überhitzung des Dampfes ermöglicht.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Abgaseinlass des Verdampfers eine Verjüngung zum Erhöhen der Abgasgeschwindigkeit aufweisen. Dadurch erhöht sich die Einströmgeschwindigkeit des Abgases, wodurch eine Verwirbelung und bessere Verteilung der eingespritzten Flüssigkeit bewirkt wird, was wiederum zu einer schnelleren und besseren Verdampfung führt. Dazu ist die Verjüngung zweckmäßigerweise vor der Flüssigkeitszufuhr angeordnet.
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Zur Verringerung der Betriebsgeräusche ist es vorteilhaft, wenn die Luftzufuhr des Pulsstrahltriebwerks einen Ansaugschalldämpfer aufweist.
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Eine mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Dampferzeugers sieht vor, dass der Dampferzeuger über eine Dampfturbine mit einer dynamoelektrischen Maschine-, in Antriebsverbindung steht, die mit der Dampfturbine oder dergleichen durch den im Dampferzeuger erzeugten Dampf drehantreibar ist. Statt einer Dampfturbine ist auch jede andere, geeignete Vorrichtung verwendbar, die sich zum Antreiben einer dynamoelektrischen Anlage, wie z. B. ein Turbolader, eignet und welche die Strömungsenergie des Dampfes beispielsweise in eine Rotationsbewegung umzusetzen vermag.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungs- und eines Anwendungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Dampferzeugers und
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2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Generators mit dem Dampferzeuger der 1.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Pulsstrahl-Dampferzeuger, der im Ganzen mit 1 bezeichnet ist. Der Pulsstrahl-Dampferzeuger 1 weist im Wesentlichen ein Pulsstrahltriebwerk 2 und einen Verdampfer 3 auf.
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Das Pulsstrahltriebwerk 2 ist als Schmid-Argus-Rohr ausgebildet und weist eine zylinderförmige Brennkammer 4 auf. An einem Ende der Brennkammer 4 ist eine Verbrennungslufteinlasskammer 5 angeordnet. Die Verbrennungslufteinlasskammer 5 mündet in der Brennkammer 4. Die Vermischung von Luft und Brennstoff findet vorzugsweise am vorderen Ende der Brennkammer 4 statt. Die Brennstoffzufuhr 6 zur Brennkammer 4 erfolgt über ein durch die Verbrennungslufteinlasskammer 5 hindurchgeführtes Rohr. Die Brennstoffzufuhr zur Verbrennungskammer 4 erfolgt über eine Brennstoffleitung 7, die einen durch die Verbrennungslufteinlasskammer 5 hindurchgeführten und in der Brennkammer 4 mündenden Leitungsabschnitt hat. In der Brennstoffleitung 7 sind ein Filter 8 zum Ausfiltern von festen Bestandteilen, eine Brennstoffpumpe 9 zum Fördern des Brennstoffes und ein Ventil 37 zur Mengenregulierung der Brennstoffzufuhr angeordnet.
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In die Verbrennungslufteinlasskammer 5 mündet zusätzlich ein Flatterventil 11, das mit einer Frischluftversorgung 12 verbunden ist. Über das Flatterventil 11 gelangt Frischluft in die Verbrennungslufteinlasskammer 5, die anschließend in der Brennkammer 4 mit dem Brennstoff ein entzündbares Gemisch bildet. In der Frischluftversorgung 12 sind ein Ansaugschalldämpfer 13 und ein Gebläse 14 angeordnet. Im vorderen Bereich der Brennkammer 4 ist eine Brennstoffdüse 15 vorgesehen, durch die der Brennstoff in die Brennkammer 4 eingespritzt wird. Die Brennkammer 4 weist eine Zündvorrichtung 16 auf, mit der das Brennstoffgemisch entzündet werden kann, wobei eine Zündung in der Regel nur einmalig zum Starten des Triebwerks 2 notwendig ist. Im Betrieb entzündet sich das einströmende Gemisch an den vorhandenen heißen Abgasen der vorangegangenen Explosion.
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Als Brennstoff kann beispielsweise neben Flüssigbrennstoffen, wie Heizöl, Bioöl oder Ethanol auch Bio- oder Erdgas, oder jedes andere brennbare Gas verwendet werden.
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Das Pulsstrahltriebwerk 2 funktioniert wie bereits oben beschrieben. Durch die dem Brennraum 4 vorgeschaltete Verbrennungslufteinlasskammer 5 wird das Flatterventil 11 jedoch nicht mehr direkt den Temperaturen der Verbrennung ausgesetzt, wodurch seine Lebensdauer wesentlich verlängert wird. Durch diese Modifikationen ist ein dauerhafter Betrieb des Pulsstrahltriebwerks 2 möglich.
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Aufgrund der Anordnung kann jedoch der in der Brennkammer 4 entstehende Unterdruck nicht ausreichen, um das Flatterventil 11 nach der Explosion zu öffnen, so dass durch das in der Frischluftversorgung 12 angeordnete Gebläse 14 aktiv Luft in die Verbrennungslufteinlasskammer 5 eingeblasen werden kann.
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Das heiße Abgas 28 tritt am Abgasauslass 17 aus der Brennkammer 4 aus und gelangt unmittelbar in den Abgaseinlass 18 des Verdampfers 3. Der Abgaseinlass 18 weist in Strömungsrichtung 19 eine Verjüngung 20 auf, die eine Beschleunigung des Abgases 28 bewirkt. Die Verjüngung 20 mündet in eine Verdampferkammer 21, in der Flüssigkeit 29 zu dem beschleunigten, heißen Abgas 28 eingespritzt werden kann. Dazu sind ringförmig um die Verdampferkammer 21 mehrere Flüssigkeitsdüsen 22 angeordnet, die eine gleichmäßige und fein verteilte Einspritzung der Flüssigkeit 29, insbesondere Wasser, ermöglichen. Die Flüssigkeitsdüsen 22 sind über eine Flüssigkeitsleitung 23 mit einer Flüssigkeitsversorgung verbunden. In der Flüssigkeitsleitung 23 sind ein vorzugsweise mengenregulierbares Flüssigkeitsventil 37, ein Filter 8 zum Herausfiltern von Schmutz- und Schwebeteilchen, eine Flüssigkeitspumpe 24 zum Fördern der Flüssigkeit und ein Ventil 10 zum Unterbrechen der Flüssigkeitszuführung zu den Flüssigkeitsdüsen 22 angeordnet. Auf das Unterbrecherventil 10 kann auch verzichtet werden, da dessen Funktion durch das mengenregulierbare Ventil 37 übernommen werden kann.
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Die Flüssigkeitsversorgung kann aus einer Gebäudeleitung oder aus einem Tank erfolgen.
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Die Verdampferkammer 21 hat einen größeren Innen-Durchmesser als das Auslass-Ende der Abgas-Einlass-Verjüngung 20. Durch die Beschleunigung des Abgases 28 und die Aufweitung der Verdampferkammer 21 wird eine Verwirbelung und damit eine bessere Mischung des Abgases 28 mit der Flüssigkeit 29 bewirkt. Dadurch verdampft die Flüssigkeit 29 schneller und gleichmäßiger und es entsteht ein homogenes Abgas-Dampf-Gemisch 30. Am Ende der Verdampferkammer 21 ist ein Dampfauslass 25 angeordnet, der ebenfalls in Strömungsrichtung 19 vorzugsweise eine Verjüngung 20 aufweist, die eine Beschleunigung des Dampfes 30 bewirkt. Die Verjüngung 26 mündet in ein Dampfrohr 27, das an den Durchmesser der Verjüngung 26 angepasst ist. In dem Dampfrohr 27 kann der Dampf 30 zu einem Verbraucher geleitet werden.
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In der Praxis wird das Pulsstrahltriebwerk 2 dauerhaft betrieben. Aufgrund der pulsweisen Funktionsweise des Schmid-Argus-Rohres ist es vorteilhaft, wenn die zu verdampfende Flüssigkeit 29 mit dem Abgasausstoß synchronisiert in die Verdampferkammer 21 eingespritzt wird. Möglich ist aber auch, die zu verdampfende Flüssigkeit kontinuierlich in die Verdampferkammer 21 einzuspritzen. Aufgrund der sehr kurzen Pulsfolge der Explosionen im Brennraum 4 ist damit praktisch eine kontinuierliche Dampferzeugung möglich.
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Der Wasserdampf 30 kann jedoch auch bedarfsorientiert erzeugt werden. Der Pulsstrahl-Dampferzeuger 1 kann dazu einen vom Benutzer bedienbaren Dampfschalter aufweisen, der die Wasserzufuhr in die Verdampferkammer 21 steuert, indem beispielsweise das Ventil 37 in der Wasserleitung 23 geöffnet und/oder die Wasserpumpe 24 eingeschaltet wird. Um die Menge des eingespritzten Wassers oder dergleichen Flüssigkeit einregeln zu können, ist in der Wasserleitung 23 ein mengenregulierbares Flüssigkeitsventil 37 vorgesehen. Mit Hilfe des Flüssigkeitsventils 37 kann die Mengen des eingespritzten Wassers oder der gleichen Flüssigkeit derart eingeregelt werden, dass der erzeugte Dampf die gewünschte Dampftemperatur hat.
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Im Beispiel sind die Brennstoffpumpe 9, die Wasserpumpe 24 und das Gebläse 14 durch denselben Elektromotor 31 angetrieben, um Kosten und Bauvolumen zu sparen. Die einzelnen Geräte können jedoch auch vollständig separat angetrieben und angesteuert werden.
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In 2 ist der erfindungsgemäße Pulsstrahl-Dampferzeuger 1 mit einer Dampfturbine 32 zur Stromerzeugung gekoppelt. Am Dampfauslass 25 des Verdampfers 3 ist vorzugsweise ein Schwingungsentkoppler 34 angeordnet, der den pulsartigen Dampfausstoß für den gleichmäßigen Betrieb der Dampfturbine 32 glättet. Der heiße Dampf 30 wird dann durch die Dampfturbine 32 geleitet, in der ein Turbinenrad in Drehung versetzt wird. Die Turbine ist mit einer dynamoelektrischen Maschine 33 gekoppelt, die die Bewegungsenergie der Turbine in elektrische Energie umwandelt.
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Am Dampfausgang 35 der Dampfturbine ist vorzugsweise ein Wärmetauscher 36 angeordnet, in dem durch die Restwärme des Dampfes das Wasser 29 in der Wasserleitung 23 vor dem Einsspritzen in die Verdampferkammer 21 vorgewärmt wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein Kondensator nachgeschaltet werden, in dem der Dampf kondensiert und das so gewonnene Wasser erneut zur Einspritzung in den Verdampfer 3 verwendet werden kann.
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Der Einsatz des Dampferzeugers zur Stromgewinnung ist lediglich ein mögliches Anwendungsgebiet. Die Erfindung ist keineswegs auf diese Anwendung beschränkt. Der Fachmann wird den erfindungsgemäßen Pulsstrahl-Dampferzeuger ohne Probleme für viele weitere Anwendungszwecke unverändert übernehmen können.
