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Die Erfindung betrifft eine Energierückgewinnungseinrichtung für einen heißen Abgasstrom eines auf einem Teststand im Testlauf befindlichen Strahltriebwerks.
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In der
US 2011/0138772 A1 wird eine Einrichtung zur Schallreduzierung eines von einer Turbine erzeugten Abgasstroms beschrieben, wobei in den Kanal des Abgasstroms eine mit Detuner bezeichnete Rotoreinrichtung eingebracht ist. Mit einer mit Stator und Rotor ausgebildeten Rotoreinrichtung kann aus der kinetischen Energie des Abgasstroms Rotationsenergie gewonnen werden.
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In der
JP2006206023 A wird vorgeschlagen, den Wärmeinhalt der Abgase eines startenden Flugzeugs zu nutzen, wobei der Energieinhalt einer Nutzung am Ort des Startplatzes oder in seiner Nähe zugeführt wird. Der Wärmeinhalt könnte über Wärmetauscher oder ähnliche Einrichtungen gewonnen werden.
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Bekannt ist weiter eine Fluidleitung für eine Gasturbine (
US 2010/0207379 A1 ). Dort wird eine externe Bypassleitung beschrieben.
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Es wurde schon vorgeschlagen, ein Flugzeugtriebwerk für den stationären Betrieb umzurüsten, so dass es wie eine Industrieturbine betrieben werden kann (
DE 1981040 U1 ). Hierbei wird eine Vorrichtung zur Rückgewinnung der im Abgas enthaltenen Wärme eingesetzt, so dass die von einem Wärmetauscher aufgenommene Wärme an die verdichtete Verbrennungsluft abgegeben wird.
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Einrichtungen zur Energierückgewinnung sollten so ausgerüstet sein, dass sie auch bei Betrieb eines Strahltriebwerks unter Voll-Last der Hitzelast stand halten können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Energierückgewinnungseinrichtung anzugeben, bei der der Zustrom der Abgase in die Einrichtung regelbar ist.
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Der Kern der Erfindung liegt darin, im Strömungskanal ein Umlenk- und/oder ein Absperrorgan vorhanden ist, über welches der Zustrom von Abgas umlenkbar und/oder unterbrechbar ist.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Einrichtung unter einem Kriterium erstellt und ausgebildet ist, dass ein maximal zulässiger Gegendruck im Testlauf des Strahltriebwerks nicht überschritten wird. Es soll möglichst ein ungehinderter, bzw. unverfälschter Testbetrieb eines Strahltriebwerks ermöglicht werden.
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Solche Kriterien können über den Strömungswiderstand der Einrichtung (eines Energiesammlers) oder über die freie Eintritts- oder freie Durchtrittsfläche des Energiesammlers definiert sein.
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Beim Energierückgewinnungsvorgang wird ein in einem Teststand befindliches Strahltriebwerk, oder eine Industrie-Gasturbine benutzt. Insofern soll der Begriff Strahltriebwerk nicht als Einschränkung verstanden werden. Es soll sich um einen typischen Teststand handeln, in dem das Strahltriebwerk auf einem Traggestell temporär befestigt ist und stationär getestet wird.
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Die Testanordnung kann mindestens eine Mischkammer und mindestens einen Diffusor zwischen Strahltriebwerk und Mischkammer umfassen. Der Energiesammler ist am Ende einer Strömungsberuhigungszone, vorzugsweise am Ende der im Abgasstrom liegenden Mischkammer angeschlossen. An eine Mischkammer einer Testanordnung schließt sich in der Regel ein Abgaskamin an. Die Hauptaufgabe der Mischkammer liegt in der Kühlung und in der Strömungsberuhigung des Abgasstroms, so dass der Abgasstrom mit geringer Turbulenz und verminderter Temperatur in den Kamin geleitet werden kann. Damit ist auch eine deutliche Geräuschminderung verbunden.
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Ein Testlauf eines Strahltriebwerks auf einem Teststand dauert – einwandfreie Funktionen vorausgesetzt – 2 bis 2,5 Stunden. Der Kerosinverbrauch für ein Strahltriebwerk kann beispielsweise 1700 Liter Kerosin pro Stunde betragen. Bei ausgiebigen Testläufen kann das Strahltriebwerk auch bis zu 6 Stunden untersucht werden. Entsprechend hoch ist der Kerosinverbrauch. Im Abgasstrahl bei Mantelstrom-Triebwerken mit einem Nebenstromverhältnis von 1,3 zu 1 treten Temperaturen bis 600°C auf. Im Nachbrennerbetrieb können je nach Testphase bis zu 1600°C erreicht werden. Die letztgenannten Temperaturen sind deutlich zu hoch, als dass der Abgasstrahl unmittelbar in einen Energiesammler, beispielsweise in einen Wärmetauscher eingetragen werden kann.
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Es wird vorgeschlagen, einen Energiesammler abgasstromabwärts hinter einer Strömungsberuhigungszone anzuordnen. Vorzugsweise kann der Energiesammler abgasstromabwärts hinter einer Mischkammer angeordnet sein. Der Energiesammler kann auch abgasstromabwärts in eine vorhandene Mischkammer integriert sein.
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In einem als Wärmetauscher ausgebildeten Energiesammler wird der thermische Energieinhalt des Abgasstrahls an ein Wärmeträgermedium übertragen. Der Abgasstrom gibt mittels Wärmetauscher einen Großteil der im Abgasstrom enthaltenen Wärmeenergie durch Wärmeleitung und Konvektion an das Wärmeträgermedium ab. Für das im Testlauf befindliche Strahltriebwerk darf der entstehende Gegendruck den vorgegebenen maximal zulässigen Strömungswiderstand nicht überschreiten. Als Wärmeträgermedium kann Luft, Wasser oder ein spezielles Wärmetauscher-Thermoöl eingesetzt werden. Das Wärmeträgermedium, welches den Energiesammler durchströmt, nimmt die Wärme des Abgases auf.
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Die gewonnene thermische Energie kann in einem Wärmespeicher zwischengespeichert werden. Dazu könnte auch eine Energiespeicherung in „Wärmecontainern” und Transport per LKW zu Bedarfsträgern erfolgen. Solche als Latentwärmespeicher ausgebildete Wärmecontainer können beim Transport bis zu einer Entfernung von 30 km wirtschaftlich sein. Anschließend besteht die Möglichkeit, die Wärme auf verschiedene Arten Nutzern zuzuführen. Die Einspeisung der in diesem Prozess gewonnenen Wärmeenergie in ein Fernwärmenetz stellt dabei auch eine Möglichkeit der Nutzung dar.
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Weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung bestehen in folgenden Einzelheiten:
Der Energiesammler kann mit einem Absperrorgan versehen sein, so dass der Zustrom des Abgases in den Energiesammler geregelt wird. Das Absperrorgan kann als Umlenkklappe ausgebildet sein, mit welcher der Abgasstrom in einen Abgaskanal und/oder einen Abgaskamin umgelenkt wird. Insbesondere zum Zwecke einer Sicherheitsabschaltung bei Nachbrennerbetrieb, wegen der dabei extrem hohen Abgastemperatur oder bei Betriebsstörung, soll das Absperrorgan automatisch einsetzbar sein. Der heiße Abgasstrom wird stromab durch ein oder mehrere dem Strahltriebwerk nachgelagerte Abgasrohre, bzw. Diffusoren geführt.
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Der Wärmetauscher kann vom Abgas durchströmte Glattrohre oder vom Abgas umströmte Rippenrohre, die nach dem Gegen- oder Querstromprinzip wirken, aufweisen. Derartige Wärmetauscher sind als Rohrbündel-Gegenstrom-Wärmetauscher oder als Kreuz-Gegenstrom-Rippenrohr-Wärmetauscher bekannt. Ebenso – oder alternativ – können um das Äußere des Wärmetauschers Rohrschlangen angebracht sein, zur Führung eines Wärmetauscherfluids, auf welches der Energieinhalt des Abgasstroms übertragen wird.
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Mit dem Wärmeträgermedium kann ein nachgelagerter Heißwasserprozess oder ein Dampfkraftprozess oder ein sogenannter Organic-Rankine-Cycle-Prozess oder ein thermoelektrischer Prozess direkt und/oder indirekt bedient werden. Die thermodynamische Arbeitsweise des Organic-Rankine-Cycle (ORC-Prozess) ähnelt dem des Gas-und-Dampf-(GuD-)Prozesses, jedoch wird anstelle des Arbeitsmediums Wasser ein organischer Wärmeträger mit niedrigem Siedepunkt und hoher Molekularmasse, wie es z. B. bei Alkohol oder Silikonöl der Fall ist, eingesetzt. Der Vorteil dieses Prozesses ist die effizientere Nutzung von Wärmequellen, da die gewünschten Effekte mit niedrigeren Eingangstemperaturen erzielt werden können. Die gewinnbare elektrische Energie kann in ein Stromnetz eingespeist werden.
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Für die Nutzung kann über ein Rechenbeispiel folgendes abgeschätzt werden, wobei ein Strahltriebwerk des Typs RB 199 MK 103 der Fa. Turbo-Union herangezogen wird, welches einen Trockenschub von ca. 40 kN, bzw. einen Nachbrennerschub von ca. 71 kN aufweist. Bezogen auf die jährliche Betriebszeit von 80 Stunden eines Teststands ergibt sich, bei einer Wärmeträgeraustrittstemperatur von 60°C, eine Erzeugung von ca. 40.000 m3 erwärmtem Brauchwasser. Bei einem angenommenen Verbrauch von 70 Liter pro Person und Tag reicht dieses für eine Versorgung von ca. 1550 Personen über ein Jahr.
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Am Ende des Teststandes und vor Eintritt des Abgasstroms in den Energiesammler sollte ein Diffusor vorhanden sein, der eine Querschnittsanpassung zwischen dem letzten Querschnitt des Teststandes und dem Querschnitt des Energiesammlers vermittelt. Der erwähnte letzte Querschnitt des Teststandes kann der Querschnitt der Mischkammer sein, wobei solche Mischkammern häufig quadratischen Querschnitt haben. Über die Querschnittsanpassung erfolgt ein Übergang auf einen runden (kreisrunden oder elliptischen) Querschnitt des Abgaskanals.
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Die Merkmale der Unteransprüche können einzeln oder in Kombination miteinander, soweit sinnvoll kombiniert, verwirklicht sein.
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Zusammenfassend wird die Erfindung wie folgt verstanden:
Es wird eine Einrichtung zur Energierückgewinnung eines Abgasstroms eines Strahltriebwerks vorgeschlagen. Der Abgasstrom wird von einem stationär und temporär angeordneten Strahltriebwerk während eines Testlaufs auf einem Teststand ausgestoßen, wobei ein Energieinhalt des Abgasstroms mindestens einer thermischen Nutzung zugeführt wird. Die Erfindung geht von einem typischen Teststand für Strahltriebwerke aus, an den die Einrichtung angegliedert ist. Kern der Erfindung ist, dass die als Energiesammler ausgebildete Einrichtung über ein Kriterium in ihrer Ausbildung derart gestaltet ist, dass eine erforderliche Kontaktfläche zur Wärmeaufnahme innerhalb des Energiesammlers geschaffen ist, und dass ein maximal zulässiger Gegendruck im Testlauf des Strahltriebwerks nicht überschritten wird. Eine solche Randbedingung kann über den Strömungswiderstand des Energiesammlers oder über die freie Eintrittsfläche des Energiesammlers definiert sein. Wesentlich ist, dass mit Einsatz der Einrichtung ein ungehinderter, bzw. unverfälschter Testbetrieb des Strahltriebwerks möglich ist und eine in allen Teststufen jeweils maximal erzielbare Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom erreicht wird.
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Die Erfindung wird in einer einzigen Figur dargestellt und näher erläutert.
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In der Figur wird ein in einem Teststand auf einem Traggestell 12 befindliches Strahltriebwerk 10 und ein an den Strömungsweg des Abgases 14 angeschlossener Energiesammler 34 dargestellt. Es soll sich um eine typische Testanordnung auf einem Fundament 13 handeln, wobei dem Teststand ein Strömungskanal (15, 16, 18, 24), eine Abluftzone (36, 42, 46) und ein Abgaskamin 50 nachgeordnet sind. Der Strömungskanal besteht gemäß der beispielhaft gezeichneten Figur aus einem ersten Passrohr 15, vorzugsweise mit rundem Querschnitt A, aus zwei Diffusoren 16 und 18 und der Mischkammer 24. Die Diffusoren 16 und 18 vermitteln im wesentlichen eine Querschnittserweiterung vom Querschnitt A des Passrohrs 15 auf den Querschnitt C der Mischkammer 24 und eine Anpassung der Form der Querschnitte von A auf B, und von B auf C. Im Strömungskanal wird die Turbulenz des Abgasstrahls beruhigt („Strömungsberuhigungszone”) und die Geräuschentwicklung vermindert. Die Mischkammer besteht in der Regel aus einem gemauerten Raum mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt C. Eine typische Größe des Querschnitts C ist etwa 7 m2. Die Gesamtlänge einer Strömungsberuhigungszone kann 10 m betragen. Die Länge des Strömungskanals einschließlich Mischkammer und Energiesammler kann bis zum Eintritt in den Abgaskanal 30 m betragen, wobei ein Energiesammler eine Länge von 10 bis 20 m haben kann.
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Der Energiesammler 34 kann abgasstromabwärts – wie in der Figur dargestellt – hinter der Mischkammer angeordnet, oder in die vorhandene Mischkammer 24 integriert sein. In einem als Wärmetauscher ausgebildeten Energiesammler wird der Energieinhalt des Abgasstrahls an ein Wärmeträgermedium übertragen.
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Es kann auch am Ende des Strömungskanals und vor Eintritt des Abgasstroms in den Abgaskamin 50 ein Diffusor 36 vorhanden sein, der eine Querschnittsanpassung zwischen dem Querschnitt des Strömungskanals D, bzw. des Wärmetauschers 34 und dem Querschnitt E des Abgaskanals 46 vermittelt. Der Querschnitt E kann kreisrund oder oval ausgebildet sein.
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Dem Abgasstrom 14' kann vor Eintritt in den Abgaskamin 50 aus Zuluftöffnungen 42 Zuluft 44 zumischbar sein. Derartige Zumischungen sollen die Temperatur des Abgasstroms möglichst unter 100°C absenken.
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Ein in Abhängigkeit vom Modus des Testlaufs steuerbares Absperrorgan (Umlenkklappe 22) für den Abgasstrom 14 ist eingezeichnet. Diese ist in zwei Stellungen verstellbar, in denen der Abgasstrom entweder dem Energiesammler 34 zugeführt wird oder direkt (14') ins Freie, bzw. in den Abgaskanal und in den Abgaskamin umgelenkt wird.
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Die innere und äußere Ausgestaltung des Wärmetauschers ist zeichnerisch nicht näher dargestellt. Weiterhin ist nicht zeichnerisch dargestellt, wie der Energieinhalt weiter genutzt wird. Beispielsweise kann dies in einem thermodynamischen Kraftprozess erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Strahltriebwerk
- 12
- Traggestell
- 13
- Fundament
- 14
- Abgasstrom
- 14'
- Abgasstrom in Abgaskanal
- 15
- Rohrpass-Stück
- 16
- erster Diffusor (runder Querschnitt)
- 18
- zweiter Diffusor (Querschnittsanpassung)
- 22
- Absperrorgan (Umlenkklappe)
- 23
- Öffnung zum Abgaskanal
- 24
- Mischkammer
- 34
- Energiesammler, Wärmetauscher
- 36
- Diffusor an Stromaustrittsöffnung (Querschnittsanpassung)
- 42
- Zuluftöffnung
- 44
- Zuluft
- 46
- Abgaskanal
- 50
- Abgaskamin
- A
- Querschnitt (rund, kreisförmig)
- B
- Rechteckquerschnitt
- C
- Querschnitt Mischkammer
- D
- Querschnitt Energiesammler
- E
- Übergangsquerschnitt auf Abgaskanal
