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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage, um bei einer Entspannung eines gasförmigen Mediums von einem höheren auf ein niedrigeres Druckniveau mechanische Energie zu gewinnen.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen bekannt, um die Energie von Druck beaufschlagten gasförmigen Medien in mechanische Energie umzuwandeln. Bekannte Beispiele sind hier die unterschiedlichen Ausführungen von Entspannungsturbinen, in denen Gas oder Dampf beispielsweise in Kraftwerksanlagen entspannt wird, wobei die Turbine einen angeschlossenen Generator antreibt, um die mechanische Energie weiter in elektrische Energie umzuwandeln.
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Um eine gute Energieeffizienz zu erreichen, müssen derartige Anlagen mit einem großen Druckverhältnis, dies ist das Verhältnis vom Ausgangsdruck vor der Turbine und dem Enddruck hinter der Turbine, betrieben werden. Entsprechend werden Kraftwerksanlagen zur Stromerzeugung üblicherweise mit Ausgangsdrücken bis zu 300 bar mit Enddrücken bis zu 40 mbar betrieben, wodurch das erreichte Druckverhältnis einen Wert über 1.000 erreicht. Um solche Ausgangsdrücke, üblicherweise mit Wasserdampf, zu realisier en, ist für derartige Kraftwerke eine aufwendige Anlagentechnik erforderlich.
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Neben diesen beschriebenen Kraftwerksanlagen mit Entspannungsturbinen sind in den letzten Jahren neue Verfahren und Apparate zur Erzeugung mechanischer, und daraus elektrischer Energie auf der Basis von Entspannungsprozessen gasförmiger Medien zur Anwendung gebracht worden, die mit deutlich niedrigeren Ausgangsdrücken und/oder Druckverhältnissen realisiert werden. Als Beispiel seien hier nach dem Stand der Technik ORC-Prozesse genannt, bei denen die Dampfphasen organischer oder anorganischer niedrigsiedender Lösemittel als Arbeitsmedium genutzt werden. Hier treten üblicherweise Ausgangsdrücke bis zu 20–30 bar auf. Die betreffenden Arbeitsmedien werden dabei entweder in Turbinen, die entsprechend der speziellen thermodynamischen und strömungsdynamischen Daten ausgelegt werden, oder in Apparaten entspannt, die ursprünglich als Verdichterapparate für gasförmige Medien entwickelt wurden, in diesen Anwendungen jedoch in umgekehrter Durchflussrichtung als Expansionsapparate genutzt werden, beispielsweise Schraubenexpander.
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In
WO 2005/061858 wird als weitere Möglichkeit eine Niederdruck-Entspannungsvorrichtung in Form von Wälzkolben- oder auch Drehkolben-Gebläsen angegeben, die entweder in der ursprünglichen Form als zweiflügelige Roots-Gebläse oder als weiterentwickelte mehrflügelige Gebläse verwendet werden.
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Diese letztgenannten Apparate, Schraubenexpander und Wälzkolbengebläse, werden in Entspannungsprozessen mit niedrigeren Ausgangsdrücken im Bereich bis etwa 20 bis 30 bar auch deshalb den erwähnten Sonderturbinen vorgezogen, weil sie aufgrund des einfacheren technischen Aufbaus und grundsätzlich höherer Produktionsstückzahlen zu deutlich günstigeren Preisen angeboten werden. Dies hat in diesen Anwendungen große Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit, da die Umwandlungswirkungsgrade aufgrund der thermodynamisch vorgegebenen Rahmenbedingungen nicht an die aufwendigeren Kraftwerksprozesse heranreichen.
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Die aus dem Stand der Technik erwähnten Entspannungsaggregate weisen technische Eigenschaften und Merkmale auf, die für Anwendungen technische Nachteile zur Folge haben. Entspannungsturbinen stehen praktisch für alle technisch relevanten Leistungsbereiche zur Verfügung. Im Niederdruckbereich bis etwa 20 bar hat für eine Entspannung von Wasserdampf das große spezifische Volumen große Abmessungen zur Folge, die entsprechend hohe Investitionskosten bedeuten. Zusätzlich sind Turbinen empfindlich gegen Kondensationströpfchen, die wegen der hohen Umlaufgeschwindigkeiten die Rotoren schädigen können. Aus diesen Einschränkungen folgt, dass Turbinen für die Entspannung geringerer Dampfmengen mit vergleichsweise niedrigen Ausgangsdrücken eher unwirtschaftlich werden. Dies gilt etwa bei Ausgangsdrücken bis 20 bar in Verbindung mit Dampfmengen von weniger als etwa 5 t/h.
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Schraubenexpander sind durch die konstruktive Auslegung der ineinander greifenden Rotoren, die ein stetig zunehmendes Transportvolumen bilden, auf bestimmte Expansionsverhältnisse ausgelegt. Eine Anpassung an davon differierende Entspannungsaufgaben ist mit Einbußen an Wirkungsgrad verbunden.
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Eine besondere Stellung nehmen die erwähnten Drehkolben- oder Wälzkolbengebläse, auch in Form der ursprünglichen zweiflügeligen Roots-Gebläse, ein. Diese Aggregate sind dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung hier ohne interne Expansion erfolgt. Das zwischen Gehäusewand und Rotor gebildete Transportvolumen wird vom Medium entsprechend dem anstehenden Ausgangsdruck gefüllt. Anschließend wird das zwischen den Dichtleisten benachbarter Rotoren in einem konstanten Volumen eingeschlossene Medium bis zum Auslassstutzen weiter transportiert. Wenn die Dichtleiste des vorangehenden Kolbens den Auslassstutzen erreicht, strömt das entspannende Medium in den Niederdruckbereich aus, wobei sich die unter erhöhtem Ausgangsdruck stehende Kammer stoßartig entleert.
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Dieses konstruktiv bedingte Fehlen einer internen Expansion ist wesentliches Kennzeichen dieses Aggregats, so dass dieses Merkmal zur technischen Definition und Charakterisierung dieses Aggregatetyps herangezogen wird.
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Wälzkolbengebläse ohne interne Expansion können grundsätzlich als Entspannungsaggregate verwendet werden, wie in dem bereits erwähnten Dokument
WO 2005/061858 dargelegt wird. Allerdings weisen sie in einigen technisch relevanten Anwendungen erhebliche Nachteile auf, die vor allem mit dem durch die fehlende interne Expansion verursachten stoßartigen Austritt des Mediums am Auslassstutzen verbunden sind. Die dadurch ausgelösten Druckpulsationen können in stromabwärts gelegenen Anlagenteilen, beispielsweise Rohrleitungen, Ventile und Wärmeüberträgern usw., mechanische Belastungen durch Resonanzen oder Schwingungen auslösen, die die mechanische Stabilität und/oder Sicherheitsaspekte der stromabwärts gelegenen Anlagenteile gefährden.
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In dieser Hinsicht hervorzuheben ist eine Anwendung als Gegendruck-Entspannungsaggregat („Gegendruckturbine”) in einem Verbundnetz, beispielsweise in Form eines Dampfheiznetzes für Industriebetriebe oder als Erdgas-Versorgungsnetz. Derartige Verbundnetze sind üblicherweise in Bereiche unterschiedlicher Druckstufen unterteilt, deren Absolutdrücke sich aus den technischen Anforderungen in den jeweiligen Netzbereichen ergeben. In Heizdampfnetzen werden diese Drücke vor allem durch die für Heizzwecke geforderten Dampftemperaturen bestimmt. In Erdgas-Verteilungsnetzen wird der mit Verdichtern erzeugte Ausgangsdruck durch die geforderten Transportentfernungen und -mengen bestimmt.
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Die der Erfindung zugrunde liegende technische Ausgangssituation soll am Beispiel eines Heizdampfnetzes näher erläutert werden.
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Ein solches Netz ist üblicherweise in eine Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckstufe gegliedert, beispielsweise Hochdruck 40 bar, Mitteldruck 15 bar, Niederdruck 5 bar. In den unterschiedlichen Bereichen werden mit dem Heizdampf unterschiedliche Prozesse betrieben, wobei die Dampftemperatur direkt mit dem Dampfdruck verbunden ist. Zwischen den Stufen wird der Dampf auf den Druck der nächstfolgenden Stufe entspannt. Dies erfolgt üblicherweise in Druckreduzierstationen, in denen Dampf durch Drosselung isenthalpisch auf den niedrigeren Druck entspannt wird. Eine solche Druckreduzierung mittels Drosselung, bei der die Energie des Dampfes aus der höheren Druckstufe in Wärme umgesetzt wird, ist deshalb üblich, da Dampf mit den gegebenen Druckdifferenzen und zugehörigen Mengen bisher nicht wirtschaftlich in eine edlere Energieform, insbesondere Strom, umgewandelt werden kann.
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Eine Substitution der Drossel durch ein Entspannungsaggregat mit einem damit verbundenen Generator zur Umwandlung der Enthalpiedifferenz in mechanische und elektrische Energie setzt jedoch voraus, dass mit einer solchen Entspannung keine unerwünschten Störungen für die stromabwärts gelegenen Netzteile ausgelöst werden. Im Hinblick auf derartige anlagentechnische Störungen weisen Entspannungsaggregate ohne innere Expansion technische Nachteile mit Gefährdungspotential auf, da am Auslassstutzen aus den oben genannten Gründen abhängig von den abzubauenden Druckdifferenzen große Pulsationen auftreten.
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Die vorliegende Erfindung hat sich deshalb zum Ziel gesetzt, ein Entspannungsaggregat zu schaffen, in dem durch eine induzierte interne Expansion des Arbeitsmediums im Aggregat Druckschwankungen in Form von Pulsationen am Auslass so weit unterdrückt werden, dass Gefährdungen stromabwärts gelegener Anlagenteile und -komponenten durch unerwünschte mechanische Belastungen, Schwingungen oder Resonanzen ausgeschlossen werden.
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Dazu soll erfindungsgemäß ein energieeffizientes Entspannungsaggregat mit interner Expansion geschaffen werden, bei dem eine interne Expansion des zu entspannenden Mediums induziert wird, wodurch ein interner Druckausgleich bewirkt wird, der zum Abbau der Pulsationsstärke führt. Dabei sollen jedoch mit dem internen Druckausgleich verbundene Einbußen an mechanischem Wirkungsgrad durch erfindungsgemäß induzierte sekundäre Effekte möglichst weitgehend kompensiert werden.
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Die Erfindung sieht dazu vor, ein Entspannungsaggregat ohne interne Expansion, beispielsweise als mehrflügelige Ausführung eines Drehkolben- oder Wälzkolbengebläses, oder in der herkömmlichen zweiflügeligen Form eines Rootsgebläses, durch technische Änderungen die Merkmale und Eigenschaften des Aggregats so zu ändern, dass während des Entspannungsvorgangs im Apparat eine interne Expansion dergestalt induziert wird, dass die Pulsation am Ausgangsstutzen deutlich reduziert wird.
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Mit den nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen technischen Änderungen wird ein neuartiges Entspannungsaggregat realisiert, das infolge der induzierten internen Expansion nicht mehr die charakteristischen Merkmale herkömmlicher Wälzkolben- oder Drehkolbengebläse aufweist, und somit einen neuartigen Typ von Entspannungsaggregat repräsentiert.
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Die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in unterschiedlichen Ausführungsformen ausgestaltet werden, die jede für sich oder auch in Kombination die gewünschte Unterdrückung von Pulsationen am Ausgangsstutzen bewirken. Gleichzeitig sollen die Änderungen so ausgeführt und/oder kombiniert werden, dass die mit einer induzierten internen Expansion verbundenen Wirkungsgradeinbußen durch sekundäre Folgewirkungen möglichst kompensiert werden.
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Ausgangsbasis für die Erfindung sind aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungen für Wälzkolben- oder Drehkolbengebläse, die üblicherweise als Luftverdichter verwendet werden und sich durch konstruktive Maßnahmen dadurch auszeichnen, dass im Transportraum keine interne Verdichtung auftritt.
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Ausgehend von diesen konstruktiven Ausführungen und den damit charakterisierten technischen Merkmalen und Eigenschaften sieht die Erfindung vor, bei Verwendung der Aggregate zur Expansion gasförmiger Medien, durch unterschiedliche technische Änderungen eine vorgegebene interne Expansion herbeizuführen, um dadurch die am Auslassstutzen auftretenden Druckpulsationen entsprechend den verfahrenstechnischen, anlagentechnischen und sicherheitstechnischen Anforderungen der stromabwärts gelegenen Anlagen und/oder Komponenten zu begrenzen.
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Derartige erfindungsgemäße technische Änderungen werden in unterschiedlichen Ausführungen und an unterschiedlichen Bauteilen und Komponenten vorgenommen, die sich in ihrer Wirkung ergänzen. Im Sinne der Erfindung können diese Änderung einzeln oder auch in beliebigen Kombinationen die vorgegebene Zielsetzung erfüllen. Sie werden im Folgenden im Einzelnen beschrieben.
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Eine erste dieser möglichen technischen Änderungen betrifft die Rotoren. Die Erfindung sieht zur Auslösung einer internen Expansion vor, Strömungskanäle in die Rotorflügel einzubringen, durch die bei Auftreten einer Druckdifferenz Medium von einer Kammer zu einer anderen strömen kann. Dazu sollen die Rotorflügel unterhalb der Dichtungsleisten durchbohrt werden. Anschließend wird eine zweite Bohrung in einem Winkel in Richtung des Drehzentrums so eingebracht, dass sich die beiden Bohrungen im Scheitel des gebildeten Winkels treffen. Somit entsteht ein durchgehender Strömungskanal aus zwei gewinkelten Teilstücken. Abschließend werden die Austrittslöcher auf der Niederdruckseite verschlossen.
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Diese Anordnung bewirkt, dass aufgrund einer Druckdifferenz überströmendes Medium näherungsweise tangential zur Rotoroberfläche in Richtung auf das Drehzentrum austritt. Diese Umlenkung des Austrittsstrahls hat erfindungsgemäß zwei wesentliche Vorteile: zum einen wirkt der Austrittsimpuls nicht entgegen der Drehrichtung des Rotors, zum anderen wird auf der Vorderseite des Rotors eine zum Drehzentrum hin gerichtete Sekundärströmung induziert, in deren Folge der stationäre Druck abgesenkt wird, wodurch die für den Rotorantrieb wirksame Druckdifferenz weiter erhöht wird. Mit dieser Maßnahme soll also erfindungsgemäß die Wirkung einer Flügelprofilströmung induziert werden.
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Anzahl und Weite der eingebrachten Bohrungen können nach der Erfindung in beliebiger Anzahl, zweckmäßigerweise entsprechend der Auslegungskriterien für die konkrete Entspannungsaufgabe, ausgelegt werden. Der aufgrund der Durchströmung erreichte Druckausgleich ist an der gewünschten Pulsations-Unterdrückung zu orientieren. Abhängig vom konkreten Druckverhältnis der Entspannung sollte der erreichte Druckausgleich zwischen 10 und 60%, bevorzugt zwischen 20 und 40% betragen. Um diese Vorgaben zu realisieren, können erfindungsgemäß bei Bedarf auch bereits eingebrachte Ausgleichkanäle auf der Druckseite verschlossen werden.
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Eine weitere Ausführungsform zur Herbeiführung einer internen Expansion und technischen Änderungen an den Rotoren besteht darin, in den unteren Bereich der Dichtleisten schlitzartige Durchbrüche als Spaltdüsen einzubringen, durch die druckbeaufschlagtes gasförmiges Medium bei Auftreten von Druckdifferenzen definiert durch die Dichtleiste von einer Kammer zur nächsten strömen kann. Dabei wird der Durchbruch als sich in Strömungsrichtung verengende Düse ausgestaltet, so dass auf den austretenden Strahl ein Impuls in Richtung der Kolbenoberfläche ausgeübt wird. Damit soll erreicht werden, dass der austretende Strahl bevorzugt in Richtung der Kolbenfläche ausgerichtet wird, da dadurch die beschriebene Sekundärströmung, die den statischen Druck vor dem Kolben weiter reduzieren soll, ausgelöst wird.
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Dieser Effekt kann zusätzlich durch die Anbringung von Kerben oder Vertiefungen hinter der Spaltdüse unterstützt werden.
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Die beschriebenen Durchbrüche können mehrfach über die Gesamtlänge der Dichtleiste verteilt, eingebracht werden. Die Anzahl, die Breite des Einzeldurchbruchs, die Weite der als Düse wirkenden Austrittsöffnung können in eine bestimmte Entspannungsaufgabe, gekennzeichnet durch Druckdifferenzen und Mengen, ausgelegt werden.
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Die als Düsen wirkenden Durchbrüche in der Dichtleiste können nachträglich in die Dichtleisten montierter Drehkolben eingebracht werden. Grundsätzlich besteht natürlich auch die Möglichkeit, die gewünschten Durchbrüche bereits vor Einbringen der Dichtleisten in das Kolbenprofil vorzunehmen.
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Eine alternative Ausführungsform der Erfindung sieht einen Druckausgleich über Überströmkanäle vor, die in die äußere Gehäusewand eingebracht werden. Diese Überströmkanäle werden jeweils dann aktiviert, wenn die Dichtleiste des Rotors den Querschnitt der eingebrachten Kontur überstreicht und so eine direkte Verbindung zwischen den beiden vom Rotorflügel getrennten Kammern freigibt. Erfindungsgemäß werden die Überströmkanäle mit einer halbkreisförmigen oder halbelliptischen Kontur mit einem Austrittsprofil in Richtung zum Drehzentrum ausgeführt. Damit wird wiederum erreicht, dass der induzierte Ausgleichsstrahl des Mediums mit einer Vorzugsrichtung in Richtung Drehzentrum überströmt. Auch mit dieser Maßnahme wird also der oben beschriebene „Flügelprofileffekt” zur Absenkung des auf der Vorderseite herrschenden stationären Drucks zur Unterstützung der Drehbewegung realisiert.
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Eine mit dieser Maßnahme induzierte interne Expansion durch Überströmen in die vorlaufende Kammer tritt nur dann auf, wenn zwischen den beiden Kammern eine Druckdifferenz herrscht. Aus einer geometrischen Betrachtung der Rotorbewegung ergibt sich, dass diese Maßnahme besonders wirksam in dem Drehwinkelbereich arbeitet, in dem ein bestimmtes Volumen des Arbeitsmittels zwischen zwei Kolbenflügeln und der Außenwand komplett eingeschlossen wird. Dies wird dann erreicht, wenn die Dichtleiste des vorfolgenden Rotors die Kante des Auslassstutzens überstrichen hat.
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Bei einer dreiflügeligen Ausführung hat der vorlaufende Rotor dann etwa 1/3 des Umfangs der Begrenzungswand überstrichen. Erfindungsgemäß ist es also besonders wirksam, in den verbleibenden zwei Dritteln die betreffenden Überströmkanäle einzuführen. Erfindungsgemäß können jedoch auch in anderen Winkelpositionen derartige Vertiefungen eingebracht werden.
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Anzahl und Ausgestaltung der Überströmkanäle sind grundsätzlich frei wählbar, können auch für eine konkrete Entspannungsaufgabe ausgerichtet werden. Dazu sieht die Erfindung vor, bei Bedarf Überströmkanäle dadurch „stillzulegen”, indem mit lösbaren Verbindungen entsprechend geformte Dichtkörper eingebracht werden, die genau mit der Wandoberfläche abschließen.
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In einer bevorzugten Ausführung werden die beschriebenen Überströmkanäle mit einem unterschiedlichen Winkel geneigt zur Drehrichtung eingebracht, besonders bevorzugt spiegelbildlich zur Mittelachse der Austrittsöffnung. Dadurch wird erreicht, dass beim überstreichen der Dichtleiste über die schräg ausgeführten Überströmkanäle eine Sekundärströmung in Richtung zum Auslassstutzen induziert wird, wodurch die Energieeffizienz der Entspannung zusätzlich gefördert wird.
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In einer bevorzugten Ausführung können die Überströmkanäle auch dergestalt miteinander verbunden werden, dass ein zusammenhängender Überströmkanal über einen größeren Bereich der Außenwand entsteht. In Verbindung mit der vorgenannten schrägen Anordnung spiegelbildlich zur Mitte würde sich demnach besonders bevorzugt ein V-förmiger Kanal ergeben.
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Damit würde durch die rotierende Dichtleiste ein Überströmen zunächst in den Außenbereich induziert und mit fortschreitender Rotation stetig beidseitig zur Mitte hin verlagert. Mit einem derartigen zusammenhängenden Überströmkanal würde so die induzierte Sekundärströmung zur Mitte hin effektiv unterstützt.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Anlage zur Umwandlung von Energie aus einem druckbeaufschlagten gasförmigen Medium in mechanische und/oder elektrische Energie.
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Die erfindungsgemäße Anlage zur Umwandlung von Energie aus einem druckbeaufschlagten gasförmigen Medium in mechanische und/oder elektrische Energie umfasst
- – Ein Entspannungsaggregat mit Gehäuse und zwei Anschlussflanschen, in dem das druckbeaufschlagte gasförmige Medium entspannt wird.
- – Zwei gegenläufig rotierende Kolben mit Überströmkanälen zur internen Expansion, die entweder als Strömungskanäle in die Rotorflügel oder als düsenartige Durchbrüche in die Dichtleisten eingebracht sind.
- – Einen Generator, der von der Antriebswelle des Entspannungsaggregats angetrieben wird.
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Erfindungsgemäß sind in die Innenwand des Gehäuses halbrunde oder halbeliptische Vertiefungen als Überströmkanäle eingebracht, über die während des Überstreichens der Dichtleiste druckbeaufschlagtes gasförmiges Medium in eine Kammer mit niedrigerem Druck übertreten kann. Diese Vertiefungen sind in der zweiten Hälfte der Gehäusewand entweder einzeln und nicht-zusammenhängend als einzelne Vertiefungen oder zusammenhängend als V-förmiger Überströmkanal vor dem Auslassflansch so angeordnet, dass die Spitze des „V” mittig über dem Auslassstutzen liegt.
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Weiterhin werden erfindungsgemäß in die Rotationskolben Überströmkanäle eingebracht, so dass gasförmiges Medium bei Auftreten von Druckdifferenzen von einer Kammer zur nächsten strömen kann. Die Auslassöffnungen der Überströmkanäle sind dabei in Richtung zum Drehzentrum angeordnet, wodurch auf der Vorderseite des rotierenden Kolbens eine gerichtete Sekundärströmung längs der Oberfläche zum Drehzentrum hin induziert wird. Anzahl, Ausformung und Anordnung der Überströmkanäle sind grundsätzlich frei wählbar, können jedoch auf konkrete Entspannungsaufgaben ausgelegt werden. Bei Bedarf können vorhandene Überströmkanäle auch durch lösbare Abdeckungen verschlossen werden, so dass die induzierte interne Expansion des Gases im Entspannungsaggregat gemäß der konkreten Entspannungsaufgabe eingestellt werden kann.
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Als weitere Ausführungsform für Überströmkanäle in den Kolben werden Überströmkanäle mittels düsenförmiger Durchbrüche in die Dichtleisten der einzelnen Kolbenflügel realisiert, wobei auch hier der Austrittsstrahl mit Richtung Drehachse längs der Rotoroberfläche abgelenkt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der in Bezugnahme auf 1, 2 und 3 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben werden. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigt
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1 den Querschnitt eines Kolbenflügels eines drehbaren dreiflügeligen Kolbens, in den unterhalb der Dichtleiste Überströmkanäle eingebracht sind,
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2 die Projektion der Außenwand eines Entspannungsaggregats, in die bevorzugte Ausführungsformen von Überströmkanälen eingebracht sind,
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3 Energieeffiziente Entspannungsaggregate in der Verwendung als „Gegendruckturbine” anstelle von Druckreduzierstationen in Heizdampfnetzen.
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In 1 wird der Schnitt eines Rotorflügels (1) eines energieeffizienten Entspannungsaggregats in dreiflügeliger Ausführung dargestellt. Unterhalb der Dichtleiste (4) wird eine Durchbohrung (2) und eine weitere schräg zum Drehzentrum ausgerichtete Bohrung (3) unter einem vorherbestimmten Winkel α angebracht. Indem die Austrittsstelle der beiden Bohrungen mit einer Deckelung (5) verschlossen wird, bilden die beiden Bohrungen (2, 3) einen Strömungskanal zwischen den beiden Flanken des Rotorflügels. Dabei ist die Austrittsstelle entsprechend der Größe des Winkels α in definierter Weise zum Drehzentrum hin verschoben. Treten zwischen den durch die Dichtleiste (4) getrennten Kammern im Entspannungsaggregat Druckdifferenzen auf, so stellt der Strömungskanal eine Verbindung zwischen den beiden Kammern her, so dass das gasförmige Medium von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite strömt und dadurch die erfindungsgemäße interne Expansion bewirkt, die zum Abbau unerwünschter Pulsationen am Ausgang des Aggregates führt. Die Verlegung des Austrittspunktes des Ausgleichsstrahls auf der Niederdruckseite bewirkt eine gerichtete Strömung entlang der Kolbenfläche zum Drehzentrum, die strömungsdynamisch eine Reduzierung des statischen Drucks vor dem rotierenden Kolbenflügel herbeiführt und dadurch eine zusätzliche Antriebskraft auf den Kolben ausübt.
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In 2 wird die Realisierung der erfindungsgemäßen internen Expansion im Entspannungsaggregat mit Hilfe von Überströmelementen, die in die äußeren Begrenzungswände des Transportvolumens eingebracht werden, in zwei unterschiedlichen Beispielen dargestellt.
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Die rechteckige Begrenzungsfläche (6) gibt die Abwicklung bzw. Projektion der gekrümmten Außenwände in eine Ebene wieder. An der Oberkante ist der Einlassstutzen (7), an der Unterkante der Auslassstutzen (8) dargestellt. Die Durchströmungsrichtung im Entspannungsaggregat ist also von oben nach unten gerichtet. Die obere Teilfigur stellt nichtzusammenhängende Einzel-Überströmkanäle (9) dar. Sie sind schräg angeordnet in Richtung auf die Mittelachse des Auslassstutzens (8) und gegeneinander so versetzt, dass zunächst die außenliegenden, später dann die innenliegenden Überströmkanäle in Folge der Rotation der horizontal verlaufenden Dichtleiste aktiviert werden. Mit dieser Anordnung soll im Aggregat eine Sekundärströmung zur Apparatemitte bewirkt werden, durch die interne Druckverluste reduziert werden, um die Energieeffizienz weiter zu erhöhen. Die Kontur der in die Wandung eingebrachten Vertiefungen ist halbkreisförmig, halbelliptisch oder in einer ähnlichen Form, so dass dem Austrittsstrahl eine Vorzugskomponente zum Drehzentrum aufgezwungen wird, die in der oben beschriebenen Weise als gerichtete Parallelströmung zur Kolbenoberfläche eine Reduzierung des statischen Drucks bewirken soll.
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In der unteren Teilfigur wird die Einbringung eines zusammenhängenden Überströmkanals (10) wiedergegeben. Auch in diesem Falle wird unter Berücksichtigung der horizontal angeordneten rotierenden Dichtleiste die Überströmung zunächst an den Außenwänden, anschließend an der Mittelachse des Auslassstutzens (8) ausgelöst.
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In 3 wird der Einsatz von zwei erfindungsgemäßen energieeffizienten Entspannungsaggregaten mit Pulsationsunterdrückung in einer Anwendung als „Gegendruckturbinen” beim Druckausgleich zwischen den einzelnen Druckstufen eines Heizdampfnetzes, beispielsweise in Industrieanlagen, visualisiert. In dem Entspannungsaggregat (14) wird die Entspannung zwischen der Hochdruckstufe (11) und der Mitteldruckstufe (12), mit dem Entspannungsaggregat (15) zwischen der Mitteldruckstufe (12) und der Niederdruckstufe (13) bewirkt. Mit der unterschiedlichen Größe der Symbole für das Entspannungsaggregat sollen die unterschiedlichen Baugrößen der Aggregate, die sich in Folge des größeren Transportvolumens des entspannten Wasserdampfs ergeben, verdeutlicht werden.
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Die Entspannungsaggregate nehmen hier praktisch die Funktion der bisher üblichen „Druckreduzierstationen” wahr. Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist deshalb die Anordnung bzw. die Nachrüstung von Entspannungsaggregaten im Bypass von Druckreduzierstationen. In Folge der pulsationsreduzierten und energieeffizienten Wirkungsweise lässt sich die erfindungsgemäße Ausführung der Entspannung zur Druckreduzierung günstig in die komplexen Verhältnisse von Heizdampfnetzen, insbesondere unter Berücksichtigung mechanischer und sicherheitstechnischer Anforderungen, integrieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotorflügel eines dreiflügeligen Drehkolbens
- 2
- Einlasskanal des Überströmkanals
- 3
- Auslasskanal des Überströmkanals
- 4
- Dichtungsleiste am Rotorflügel zur Trennung der Kammern
- 5
- Verschluss/Deckelung auf den Durchbrüchen der Bohrungen
- 6
- Äußere Begrenzungswand (ebene Projektion)
- 7
- Einlassstutzen
- 8
- Auslassstutzen
- 9
- Überströmkanäle (nicht-zusammenhängend)
- 10
- Überströmkanal (zusammenhängend)
- 11
- Hochdruckstufe eines Heizdampfnetzes
- 12
- Mitteldruckstufe eines Heizdampfnetzes
- 13
- Niederdruckstufe eines Heizdampfnetzes
- 14
- Energieeffizientes Entspannungsaggregat (von Hochdruck nach Mitteldruck)
- 15
- Energieeffizientes Entspannungsaggregat (von Mitteldruck auf Niederdruck)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005/061858 [0005, 0011]
