DE102016001085A1

DE102016001085A1 - Rotationssymmetrisches Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb in einem kleinen Blockheizkraftwerk

Info

Publication number: DE102016001085A1
Application number: DE102016001085.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2017-08-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein rotationssymmetrisches Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) und ein Verfahren zur Produktion desselben. Es besteht aus mindestens zwei mehrfach schraubenförmigen Kanalsystemen (2 und 3). In den rotierenden Kanälen liegen Strömungen für heiße Gase (10) und Dampfströmungen (20) vor. Die Ausführung des Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) umfasst mindestens zwei schraubenförmige Kanäle für heiße Gase (2) und mindestens zwei schraubenförmige Kanäle für Dampf (3), die radial oder axial bzw. radial und axial versetzt sind. Ein Anteil der Energie der Strömungen in den Kanälen wird als mechanische Energie an die rotierenden Kanalinnenwände abgegeben und ein Anteil der thermischen Energie – derjenige für heiße Gase – wird über eine Wärmeübertragung an mindestens zwei Dampfströmungen (20) abgegeben. Dabei wird auch eine Dampfüberhitzung durchgeführt. Zwischen den rotierenden Kanälen findet somit Wärmeübertragung und an den Kanalinnenwänden die Umsetzung der Strömungsenergie in mechanische Energie des rotierenden Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) in einem kleinen Blockheizkraftwerk statt. Die tangentialen Kraftkomponenten der Strömungen zeigen in Rotationsrichtung des Systems. Das Verfahren zur Produktion des rotierenden Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) besteht darin, dass auf eine innere Schale eine zentrale Komponente des Wärmetauschers und eine äußere Komponente aufgedreht werden.

Description

Stand der Technik
Gemäß dem Stand der Technik sind einige rotierende Wärmetauscher bekannt. So offenbart beispielsweise die Druckschrift DE 3 514 494 A1 die Ausführung eines rotierenden Wärmerohr-Wärmetauschers. Hier werden die großen Wärmeübertragungskoeffizienten bei der Kondensation und Verdampfung vorteilhaft genutzt. Die hohen Wärmetransferraten eines Wärmerohres als konstruktive Ausführung eines Laufrades in einem Radialventilator erweisen sich als vorteilhaft. Nachteil ist, dass sehr viele Wärmerohre in ein Rad montiert werden müssen. Auch besteht die Einschränkung, dass diese Erfindung die Verwendung von Wärmerohren in einer Laufschaufel betrifft.
Schon 1922 hat die Firma Ljungström im Patent DE 402 314 einen rotierenden Vorerwärmer beschrieben. Hier liegt die Einschränkung vor, dass radiale Strömungsrichtungen durch ein Laufrad für Luft und Abgase zur Verbesserung der Wärmeübertragung genutzt werden.
Ein ebenfalls drehbarer Wärmetauscher wurde schon von der Firma Henschel/Kassel in dem Patent CH 313 656 publiziert. Hier wird ein ringförmiger drehbarer in axialer Richtung durchströmter Regenerator beschrieben, der in einer kleinen Gasturbinenanlage eingesetzt wird. Auch hier wird die Energie der Strömung rein für die Optimierung des Wärmetransfers genutzt.
In dem Patent DE 1 121 635 der Daimler Benz AG wird in einem rotierenden Regenerativ-Wärmetauscher ein veränderlicher Durchströmquerschnitt vorgeschlagen. Dadurch lässt sich die Durchströmung aufgrund der Veränderung des spezifischen Volumens bei Temperaturveränderung optimieren. Die Form des Rohrquerschnitts ist aber in dieser Schrift auf trapezförmige Querschnitte beschränkt.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2013 004 498 A1 wird eine Gas- und Dampfkombianlage beschrieben, bei der Dampf in mindestens zwei schraubenförmige offene Gerinne eintritt und darin strömt. Nachteil ist, dass der Strömungsquerschnitt von der radialen Ausdehnung der Flüssigkeitssäule an der Außenwand des rotierenden Kessels abhängt. Die Abdichtung des offenen Gerinnes kann aufgrund dieser Abhängigkeit versagen. Falls das Gerinne nicht mit Flüssigkeit abgedeckt ist, wird die Strömung nur geringfügig im offenen Gerinne strömen, und stattdessen an dem offenen Gerinne vorbei zum Auslass strömen. Sehr problematisch ist auch, dass das verdampfte Wasser sofort in den relativ kleinen Innenraum des Gerinnes eintritt. Dadurch ist mit einer Behinderung der Verdampfung zu rechnen. Weiterhin ist die Auslegung der Apparatur für Strömungen mit Rohren im Allgemeinen einfacher als eine Strömungsführung in offenen Gerinnen: Nachteilig ist ebenso, dass der Querschnitt in diesem Gerinne für Dampf bei hohen Drucken klein ist und aufgrund von Druckschwankungen variieren kann.
Ein Spiralrohr-Wärmetauscher wird in dem Patent DE Nr. 1947144 der Harzer Achsenwerke beschrieben. Ein in einer Ebene spiralförmig gewickelter Kanal wird in einem zylindrischen Gehäuse untergebracht. Vorteilhaft ist hier die Bildung eines zweiten Strömungsweges mit einer Blechspirale. Das Gesamtsystem ist aber für rotierende Anwendungen nicht vorgesehen. Die Massenverteilung ist nicht rotationssymmetrisch.
In der Offenbarung von Berner (CH), Publikationsnnummer 0 117 564 des Europäischen Patentamts, wird ein Hochtemperatur-Wärmetauscher beschrieben. Es wird eine Verbesserung der Isolierung für rotierende Wärmetauscher, geringe Kosten und Wärmebeständigkeit dargestellt.
In der Offenbarung DE 10 2008 051 813 A1 der Firma GEA wird ein Rotationswärmeübertrager mit einem sich drehenden Wärmerad, das in einem Zuluft- und einem Abluftkanal angeordnet ist, beschrieben. Luftströme durchströmen das Wärmerad. Hierbei wird Wärme von einem Luftstrom zum anderen Luftstrom transferiert unter Berücksichtigung einer minimalen Leckage. Diese Offenbarung berücksichtigt aber nicht den Wärmetransfer von heißem Gas auf Dampf mit Hilfe von mehreren rotierenden schraubenförmigen Kanälen.
In der europäischen Patentanmeldung EP 0 344 351 A1 wird ein Gas-Kältemittel-Wärmetauscher beschrieben. Er besteht aus zwei Rohrschlangen für die Hindurchführung von Kältemitteln. Die beiden Rohrschlangen haben die Form von kegelförmigen Wendeln und jeweils gleiche Wendelsteigungen. Nachteil dieser Ausführung ist, dass keine Rotationssymmetrie der Massenverteilung des Wärmetauschers vorliegt. Er ist somit nicht für rotierende Systeme geeignet.
Die Kühlung von besonders heißen Materialien, wie die Schaufeln von Gasturbinen mit Hilfe von Flüssigkeiten, ist im Patent DE 1 913 065 von General Electric beschrieben. Hier sind radiale Kühlkanäle so angeordnet, dass die Kühlflüssigkeit vom Laufschaufelfuß radial in Richtung der heißen Laufschaufeln mit Hilfe der Fliehkraft geführt wird. Bei diesem Verfahren können laut dem Anmelder heiße Gase mit Temperaturen von bis zu 2400 K genutzt werden. Diese hohe Temperatur bewirkt Vorteile für die Effizienz des thermodynamischen Prozesses. Es wird insgesamt eine Optimierung bekannter Laufschaufelsysteme beschrieben.
In dem Patent DE1 0315 746 wird eine kompakte Dampfturbine beschrieben, die sich bei genauer Analyse als integriertes Dampfkraftwerk herausstellt. Ihr Vorteil liegt im hohen Integrationsgrad und in der Möglichkeit, Komponenten des Systems als Multifunktionseinheiten auszuprägen. Insbesondere weist das rotierende System, das einen geodätischen Druck des Arbeitsfluids auf die Außenwand auswirkt, eine Pumpwirkung auf. Eine dedizierte Speisepumpe wird somit nicht benötigt. Vernachlässigt wird die Beschreibung eines geeigneten Wärmetauschers und eines Antriebes, der für kleine Volumenströme geeignet ist.
Ein rotierender Kühler ist in dem Patent DE 10 2009 020 337 beschrieben, wobei auch bei Kondensation an geeigneter Stelle ein Teil der Kondensationsenergie in Vorschub umgewandelt werden kann. Auslegung und Betrieb sind hier aber sehr schwierig, da die Strömung in rotierenden Lamellen in geeigneter Weise zu kondensieren hat.
In dem Patent DE 10 2004 062 645 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Formkörpern auf Basis sinterfähiger Pulver beschrieben. In diesem innovativen Verfahren werden keramische Bauteile, wie z. B. Rohrwendel, mit Hilfe einer Heißgießmasse bei Temperaturen von ca. 60°C–110°C zusammengefügt und anschließend bei typischerweise sehr hohen Temperaturen von 1000°C–2000°C gesintert. Vorteil dieses Verfahrens sind sehr hohe Biegefestigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren beim Verbinden von Keramikbauteilen.
In dem Patent von MTU DE 3 813 202 wird ein Wärmetauscher beschrieben, der aus zwei ringförmigen Sammelrohren besteht, die axial hintereinander oder konzentrisch angeordnet sind. Es liegt eine Rotationssymmetrie vor, aber es wird keine schraubenförmige Geometrie eingesetzt. Rohre werden in Verbindung mit ringförmigen Strömungskanälen. umströmt. Von Nachteil ist, dass keine Schubspannungen genutzt werden können.
In dem Gebrauchsmuster G 94 09 288.5 wird der Wirkungsgrad eines Wärmetauschers verbessert. Eine zwangsgeführte Strömung im äußeren Wärmekreislauf bewirkt eine Verbesserung des Wärmetransfers. Hier werden aber nicht Innenströmungen genutzt, sondern Umströmungen. Nachteilig sind die schwingfähigen Rohre mit den losen eingelegten Stäben für den Einsatz in einem rotierenden System.
In der Nichtpatentliteratur wird der Druckabfall in einem rotierenden schraubenförmigen Rohrsystem schon 1951 von Ludwieg (Max Planck Institut Göttingen) beschrieben und mit Messungen verglichen. Auf technische Lösungen zwecks Wärmetransfer und Vortrieb wird aber nicht eingegangen.
Die Wärmeübertragung von einer Luftströmung in einem rotierenden schraubenförmigen Rohr ist in der Publikation von Cengiz Yildiz verfügbar. Der Vortrieb wird in dieser Publikation nicht diskutiert.
Eine Übersicht zum Stand der Technik für klassische Gas- und Dampfturbinenanlagen ist z. B. in der der Nichtpatentliteratur bei Ochkov (ISSN 0040_6015, Thermal Engineering, 2012, Vol. 59, No. 7, pp. 566–572, 2012., DOI:: 10.1134/S0040601512070129) beschrieben. Für rotierende Kombisysteme ist hier jedoch keine Beschreibung gegeben.
In der Publikation von Kley et al. (Frontiers in Heat Pipes (FHP), 4, 023004 (2013), DOI: 10.5098/fhp.v4.2.3004) ist eine rotierende kompakte Dampfturbine beschrieben. Die Pumpwirkung des Systems wird hier betrachtet. Eine dedizierte Speisepumpe wird in der rotierenden kompakten Dampfturbine, die den gesamten Clausis-Rankine-Kreislauf intern durchführt und somit ein Kraftwerk darstellt, nicht benötigt. Ein kritisches Bauteil ist jedoch der Wärmetauscher, der in dieser Publikation aber nicht detailliert behandelt wird. Auch wird der Vortrieb bei kleinen Volumenströmen nicht behandelt.
Aufgabenstellung
Ein möglichst einfaches kompaktes rotationsfähiges Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb, das einen guten Wärmetransfer bei guter gleichzeitiger Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie aufweist, soll als neuartiges System für ein sehr kleines Blockheizkraftwerk im thermische Leistungsbereich < 100 kW dienen. Hierbei muss beachtet werden, dass kleine Volumenströme für die heißen Gase und auch kleine Volumenströme für das zweite Arbeitsmedium vorliegen. Es soll möglichst viel thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt werden. Die nicht in mechanische Energie umgewandelte thermische Energie soll nach Wärmetauschprozessen zu einem großen Teil für Heizzwecke verwendet werden. Wichtig ist, dass die Volumenströme in einer Vorrichtung verlaufen, das keine oder nur eine zu vernachlässigende Unwucht und eine ausreichende Festigkeit aufweisen. Ein solches Bauteil wird im Folgenden rotationsfähig genannt.
Es sollen bei kleinen Volumenflüssen in einem Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb ausreichend gute Wirkungsgrade erzielt werden, so dass ein wirtschaftlicher Betrieb ermöglicht wird. Denn die Verluste sind für Strömungsmaschinen mit kleiner Leistung und somit kleinen Volumenflüssen in klassischen Lauf- und Leitradsystemen zu groß. Auch sollen freie Oberflächen, wie sie bei Strömungen in Teslaturbinen vorliegen, vermieden werden. Weiterhin sind Strömungsgeschwindigkeiten mit größeren Machzahlen zu vermeiden, so dass die Verluste minimiert werden können. Zudem sind nicht zu große Machzahlen für die Strömungen anzustreben, so dass eine Geräuschentwicklung durch Strömungen gering ist. Die tangentialen Komponenten der Kraftvektoren für die Strömung der heißen Gase und die Dampfströmung sollen in die Rotationsrichtung des Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb zeigen.
Besonders aufmerksam muss die rotationssymmetrische Massenverteilung des Kombisystems für Wärmeübertragung und Vorschub berücksichtigt werden. Diese Symmetrie soll entlang der Rotationsachse für alle Massenpunkte des Rotationskörpers gelten. Somit soll ein aufwendiges Auswuchten aufgrund von konstruktionsbedingten Asymmetrien vermieden werden
Damit die thermische Belastung des Materials im Kombisystem für Wärmeübertragung und Vorschub reduziert werden kann, ist eine Kühlung des Materials vorzusehen.
Beschreibung
Hier wird eine Lösung gewählt, die ohne Laufrad und Leitrad ausreichend hohe Wirkungsgrade erzielt. Erfindungsgemäß sollen somit schaufellose Systeme, auch zwecks Senkung der Produktionskosten in dem vorgeschlagenen Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb eingesetzt werden. Hier wird der Effekt genutzt, dass gemäß Grenzschichtmodellen, das Temperaturfeld und Wandschubspannungsfeld gekoppelt sind.
Für die Konstruktion bedeutet dies: Es werden Kanäle in einem rotierenden Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb genutzt. Ein Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, dass der Wärmetransfer und die Schubspannung in Kanälen gut berechnet werden können und auch mit vorhandenen Messungen verglichen werden können. Zudem lassen sich durch Schrumpfen relativ einfach einzelne Bauteile mit der gewünschten inneren Kanalstruktur zusammenfügen. Keramische Bauteile können durch geeignete Grünkörper zusammengefügt werden.
Damit hohe Wirkungsgrade in Wärme-Kraft-Maschinen erzielt werden können, sind große Temperaturunterschiede im Arbeitsprozess notwendig. Die Einfachheit der Konstruktion soll durch eine Integration der Kanäle in möglichst einem rotationssymmetrischen Bauteil realisiert werden. In diesem rotierenden Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb wird Wärmetransfer und Schub ermöglicht. Damit das Gesamtsystem gut auslegbar ist, sind Strömungen in Kanälen anzustreben, da an den Innenflächen des Rohres die Wärmeübertragung und die Wandschubspannungen mit den gängigen Methoden der numerischen Strömungssimulation mit ausreichender Genauigkeit berechenbar sind. Es können Strömungssimulationen gegenüber Messungen validiert werden.
Die rotationssymmetrische Massenverteilung wird durch prinzipiell rotationssymmetrische geometrische Formen wie Kanäle, die die Struktur einer Doppelhelix, Dreifach-Helix, Vierfach-Helix etc. aufweisen, in einem geeigneten Material umgesetzt. Ohne Einschränkung der Erfindung können die Radien der spiralförmigen Kanäle sich gleichförmig ändern, so dass die rotationssymmetrische Massenverteilung erhalten bleibt.
Damit der Aufbau des Gesamtsystems möglichst einfach ist, wird eine Reduktion der Komponenten einer Gas- und Dampfturbinen Kombianlage erfindungsgemäß durchgeführt (siehe 8). Dieses Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) bewirkt bei einem Einsatz in einem sehr kleinen Kraftwerk und somit auch in einem Blockheizkraftwerk die Einsparung eines Generators, der üblicherweise an die schnell rotierende Gasturbine gekoppelt wäre, einer dedizierten Dampfturbine und einer Speisepumpe.
Die erfindungsgemäße Ausführung sorgt in einem homogenen Material für eine rotationssymmetrische Massenverteilung und einen ruhigen Lauf bei Rotation.
Die Strömungen werden erfindungsgemäß so in das Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb geleitet, dass die tangentialen Kraftkomponenten der Strömung der heißen Gase und der Dampfströmung in den jeweiligen schraubenförmigen Kanälen große parallele Komponenten aufweisen und dabei in die gleiche Richtung zeigen. Es werden somit Kräfte von Strömungen der heißen Gase und Dampfströmungen auf das Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb übertragen und positiv addiert. Die Kräfte an den Innenwänden der schraubenförmigen Kanäle addieren sich somit und bewirken, dass das Drehmoment und die mechanische Leistung des rotierenden Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb erhöht werden. Die Leistung ergibt sich aus dem Produkt aus Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit. Das Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) kann so ausgelegt werden, dass eine Überhitzung des Dampfes (18) stattfindet.
Detailbeschreibung:
Das Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) ist in einem rotierenden Kessel (40) untergebracht (siehe 1). Erfindungsgemäß sind mindestens zwei schraubenförmige Kanäle für heiße Gase (2) und mindestens zwei schraubenförmige Kanäle für Dampf (3) in einem geeigneten Material des Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) integriert. Die Ausführung der schraubenförmigen Kanäle (2 und 3) im Rahmen der Gestaltung des Gesamtvolumens des Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) wird so durchgeführt, dass eine rotationssymmetrische Massenverteilung des Gesamtkörpers des Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) erzielt wird. Diese Symmetrie wird durch exakte Anordnung der jeweiligen Kanäle zur Drehachse erzielt. Insbesondere weisen die schraubenförmige Kanäle für heiße Gase (2) zueinander die gleiche Länge auf. Auch die schraubenförmigen Kanäle für Dampf (3) weisen untereinander die gleiche Länge auf. Bei zwei Kanälen ist ein Winkel von 180°, bei drei von 120°, bei 4 von 90°, etc. zwischen den Zentren der Kanäle zu nutzen. D. h., dass die Winkel gleich 360°/n sind, mit n gleich der Anzahl der schraubenförmige Kanäle für Dampf (3) bzw. für heiße Gase (2). Rotationssymmetrie betrifft im Allgemeinen das Volumen. Das Material des Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) weist bei homogener Dichte des Materials daraus folgend eine rotationssymmetrische Massenverteilung auf. Die Kanäle für heiße Gase (2) und die Kanäle für Dämpfe (3) sind radial oder versetzt angeordnet. Auch Kombinationen aus axial und radialer versetzter Anordnung sind ohne Einschränkung der Erfindung möglich. Durch die Auswahl eines geeigneten Materials, wie z. B. Nickelbasislegierungen, Keramiken etc., sowie durch die Erfüllung der obigen Anforderungen wird erfindungsgemäß ein rotationsfähiges System aufgebaut.
Das Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) kann zum Zwecke der Optimierung des Wärmetransfer und der Wandschubspannungen so aufgebaut sein, dass sich die Querschnittsflächen (68) der Kanäle über die Länge verändern.
In das Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) wird über mindestens einen Einlass für heiße Gase (12) eine Strömung für heiße Gase (10) geleitet. Über die Kanallänge vom Einlass für heiße Gase (12) bis zum rotierenden Auslass für heiße Gase (14) liegt ein Druckabfall vor und eine Wärmeübertragung durch das Material hin zu einem geeigneten zweiten Arbeitsmedium (16) findet statt. Der Druckabfall ist mit einer Wandschubspannung korreliert. Die damit verbundene Kraft wirkt in tangentialer Richtung. Mechanische Arbeit wird in dem Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) verrichtet. Die mechanische Arbeit wird durch einen angebunden Stromgenerator (324, in 7 dargestellt) in elektrische Energie gewandelt.
Bei ausreichender Drehzahl des rotierenden Kessels (40) befindet sich das zweite Arbeitsmedium (16) an der Innenseite der Außenwand (50) des rotierenden Kessels (40). Der Dampf (18) im rotierenden Kessel (40) hat einen bestimmten Überdruck gegenüber dem Dampfdruck im Kühler (48). Hieraus resultieren mindestens zwei Dampfströmungen (20), die durch Einlässe für Dampf (22) in das rotierende Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) geführt werden und in diesem durch mindestens zwei schraubenförmige Kanäle für Dampf (3) geführt werden. Die tangentialen Kräfte, die durch einen Druckabfall in den schraubenförmigen Kanälen für heiße Gase (2) und den schraubenförmige Kanälen für Dampf (3) wirken, zeigen in die gleiche Richtung, so dass sie sich positiv addieren. Die Dampfströmungen (20) werden mit Hilfe mindestens zweier rotierender Auslässe (44) zu auf einen Kühler gerichtet. Es sind zwei Fälle zu betrachten. Im ersten Fall gilt für den aus den rotierenden Auslässen (44) austretende Dampfstrahl, dass dieser mindestens ein Vortriebssystem (46) antreibt und nach Verrichtung von Arbeit in einen Kühler (48) geleitet wird. Im zweiten Fall wird der rotierende Auslass (44) anders ausgelegt. Wenn die nutzbare Enthalpie des Dampfes schon in den schraubenförmiger Kanälen für Dampf (3) und in den schraubenförmigen Rohren als Verlängerung des schraubenförmigen Kanals für Dampf (24) umgesetzt wurde, dient der rotierende Auslass (44) nur dazu, den Dampf auf den Kühler zu richten und das Vortriebssystem, das als Reibungsturbine oder klassische Turbine ausgeprägt sein kann, wird obsolet. Die Formen der rotierenden Auslässe (44) können sowohl als Konfusor oder Diffusor ausgeprägt sein. Neben den bekannten hochwarmfesten Legierungen, wie z. B. Nickelbasislegierungen, für Kraftwerke und Turbinen können auch keramische Materialien wie z. B. SiN und Al₂O₃ als Werkstoff in Betracht gezogen werden.
In 2 sind die zentrale Schale (61) und die innere Schale (65) Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) dargestellt. Die schraubenförmige Einbuchtung für den Kanal der heißen Gase (62) und die schraubenförmige Einbuchtung für den Kanal der Dampfströmung (63) mit Gewindezahn (64) können z. B. durch ein Gussverfahren oder Walzverfahren hergestellt werden. Zur Vervollständigung des Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) werden auf die zentrale Schale (61) eine innere Schale (65) und eine äußere Schale (69) zusammengefügt. Gewindezähne (64) der zentralen Komponente und Gewinderillen (67) der Schalen greifen dabei ineinander und sind dann nach einem Schrumpfprozess, der durch eine Abkühlung bewirkt wird, verbunden. Eine abschließende Wärmebehandlung ist eine Option, um die mechanischen Eigenschaften des rotierenden Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) zu verbessern. Wichtig ist beim Zusammenbau, dass die Gewindezähne (64), die eine schraubenförmige Struktur aufweisen, paarweise von einer Windung zur nächsten einen gleichen Abstand aufweisen und somit in die zugehörigen Gewinderillen (67) der inneren und äußeren Schale gedreht werden können. Alternativ können auch die innere und äußere Schale (65 und 69) Gewindezähne und die zentrale Komponente Rillen aufweisen.
Alternativ zu dem Gussverfahren bzw. Fräsverfahren für Metalle kann ein Fügeverfahren für keramische Körper angewendet werden. Erfindungsgemäß werden mindestens drei keramische Grünkörper durch ein geeignetes Verfahren, wie z. B. Spritzguss, geformt. Die Grünköper werden mit Hilfe eines Bindemittels bei erhöhter Temperatur ineinander gedreht. Hierzu sind die Rillen und Gewindezähne nötig. Überschüssiges Bindemittel wird durch eine Reinigung entfernt und anschließend wird in einem Sinterungsprozess die endgültige Form erzielt. Ein Auswuchtverfahren wird anschließend durchgeführt.
In 3 ist eine weitere Ausprägung des Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) als Schnitt dargestellt. Der Schnitt ist zwecks Vereinfachung nur von der Rotationsachse in eine radiale Richtung dargestellt. Somit wird auf die symmetrische Darstellung rechts der Achse verzichtet. Es sind mindestens zwei Kanalverbindungen für heiße Gase (52) zur Verbindung der Kanalsysteme in der Außenwand des rotierenden Kessels (50) und der Kanalsysteme im Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) ausgeführt. In der Außenwand des rotierenden Kessels (50) sind mindestens zwei schraubenförmige Kanäle für heiße Gase (26) eingelassen. Somit findet dort erhebliche Wärmeübertragung von der Strömung für heiße Gase (10) an das zweite Arbeitsmedium (16) statt. Alle Kanäle, d. h. mindestens zwei schraubenförmigen Kanäle für Dampf (3), mindestens zwei schraubenförmigen Kanäle für Dampf (2) sowie mindestens zwei schraubenförmigen Kanälen für heiße Gase in der Außenwand (26) sind erfindungsgemäß in einem Bauteil integriert.
4 zeigt die Einsatzmöglichkeit des Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) in einem rotierenden Kessel mit einer geeigneten Geometrie zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche (71) an der Außenwand des rotierenden Kessels (50). Diese Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche (71) wird durch Einbuchtungen (70) erzielt. Außerdem weist die Außenwand zum unteren Ende einen vergrößerten Radius auf, was den Fluss des zweiten Arbeitsmediums (16) nach unten begünstigt.
In 5 ist die Form der Einbuchtungen (70) durch rechte Winkel gekennzeichnet. Ohne Einschränkung der Erfindung können die Einbuchtungen (70) beliebige geeignete Formen aufweisen. Außerdem können die Oberflächen des Verdampfers durch Rauigkeiten sowie geeignete geometrische Einbuchtungen und bzw. oder Ausbuchtungen vergrößert werden. Auch ist in 5 eine etwas andere geometrische Anordnung dargestellt. Erfindungsgemäß sind mindestens zwei schneckenförmige Kanäle für heiße Gase (74) und mindestens zwei schneckenförmige Kanäle für Dampf (75) in einem geeigneten Material für das Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) angeordnet. Der Einsatz einer Dichtung (72) beim Einlass für heiße Gase (12) mit geringem Radius/Abstand zur Drehachse (42) ist vorteilhaft, da dadurch geringere Geschwindigkeiten an den Dichtungsflächen auftreten, was zwecks Reduzierung der Reibung von Vorteil ist.
Stromabwärts kann mindestens ein Kanal wieder eine Schraubenform annehmen (siehe 6). Die Kanalführungen können so ausgeführt werden, dass Kanäle für Dampfströmung (75) in der Nachbarschaft der Einlässe für heiße Gase (12) liegen und somit eine größere Kühlwirkung am Einlass für heiße Gase (12) vorliegt. Bei Reduktion der Temperaturbelastung des Materials in der Nähe des Einlasses für heiße Gase (12), können somit sehr heiße Gase in das Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) geleitet werden. Ohne Einschränkung der Erfindung können die schneckenförmigen Kanalführungen für heiße Gase (74) und Dampf (75) eine Spiralform mit veränderlichem Krümmungsradius aufweisen (nicht dargestellt). Zwecks Auswuchtbarkeit des Gesamtsystems ist die rotationssymmetrische Anordnung einzuhalten. Zusätzlich können auch Leitbleche (79) um das Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) angebracht werden, so dass der Wasserdampf, bevor er zum Einlass für Dampf (22) gelangt, das Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) kühlt (siehe 6). Zwecks Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche können auf dem Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) Lamellen und bzw. oder Rippen vorhanden sein (nicht dargestellt).
Ergänzend zur 1 ist in 7 eine azimutale und axiale Sicht auf zwei schraubenförmige Kanäle für heißes Gase (2) und zwei schraubenförmiger Kanäle für Dampf (3) in Azimut und axialer Richtung im Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) als unvollständiger Ausschnitt gegeben. In 7 sind die Lagen der beiden Einlässe für heiße Gase (12) im Hintergrund und die beiden Einlässe für Dampf (22) im Vordergrund dargestellt. Die Hauptkomponenten der tangentialen Geschwindigkeitsvektoren der Dampfströmungen (20) und der Strömungen heißer Gase (10) zeigen in Rotationsrichtung (90). Analog zur Darstellung in 1 sind die schraubenförmigen Kanäle für heißes Gas (2) und Dampf (3) gegeneinander radial versetzt. Mit Ausnahme der Einlass- und Auslassstellen sind die Strömungsrichtungen in allen Kanalsystemen so gewählt, dass die tangentialen Hauptkomponenten der Geschwindigkeitsvektoren der Strömungen alle in Rotationsrichtung (90) zeigen. Eine positive Addition der Kräfte ist somit gegeben. Eine Beschleunigung der Dampfströmung ist beim Einlass für Dampf (22) gegeben, da der Dampf zunächst radial zum Kanal (20 in 7) strömt und dann umgelenkt wird. Bei dieser in Richtung stromabwärts ausgeführten Umlenkung wirkt eine Kraft entgegen der Rotationsrichtung (90), die aber klein gegen die Wandschubkräfte in Richtung Rotationsrichtung (90) ist. Die Auslässe der schraubenförmigen Kanäle für Dampf können so in Richtung Kühler geführt werden: Diese Richtungsänderung bewirkt eine Impulsänderung in Rotationsrichtung (90). Die dadurch bewirkte Kraft zeigt auch in Rotationrichtung (90) (nicht dargestellt) und kann die o. a. Kraft, die entgegen zur Rotationsrichtung zeigt, in Abhängigkeit des Massenflusses teilweise oder vollständig kompensieren oder gar übertreffen. Somit kann die Kraft entgegen der Rotationsrichtung (90) zumindest reduziert werden. Die Dampfströmung (20) wird durch die benachbarte Strömung heißer Gase (10) in diesem Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) überhitzt. Bemerkenswert ist, dass durch ständige Wärmezufuhr die Dampfströmung (20) in den schraubenförmigen Kanal für Dampf über die wirksamen Kanallängen ständig erhitzt wird und ständig mechanische Arbeit an den Innenwänden der Kanäle verrichtet. Dieser Prozess kann mit der Zwischenüberhitzung und der anschließenden Verrichtung von Arbeit in Turbinen verglichen werden.
Die Führung der schraubenförmigen Kanäle für heißes Gas (2) und der schraubenförmigen Kanäle für Dampf (3) muss nicht zwingend kreuzende Kanäle aufweisen. Es kann auch, ohne Einschränkung der Erfindung, ein paralleler Verlauf (nicht dargestellt) der Kanäle vorliegen. Die Anordnung der Auslässe und Einlässe wird in diesem Fall so gewählt, dass die tangentialen Komponenten der Geschwindigkeitsvektoren der Gasströmungen und der Dampfströmungen in Rotationsrichtung zeigen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch mehrere Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Zwecks Darstellung der Thermodynamik zur Erfindung, die hier beschrieben ist, sind in 8 die beiden thermodynamischen Prozesse in T-S-Diagrammen skizziert. Die dazugehörigen Komponenten eines Kraftwerks in einem BHKW auf Basis des hier genutzten Gas- und Dampfturbinenprozesses sind ebenfalls dargestellt. Mit Dampf ist das Arbeitsmedium für den Clausius-Rankine-Prozess beschrieben, das z. B. Wasser oder ein Organic-Rankine-Cyle-Stoff (ORC) sein kann. Es finden in jeder Gas- und Dampfturbinenkombianlage zum einen der Joule-Prozess und der Clausius-Rankine-Prozess statt. Der Joule-Prozess ist gekennzeichnet durch Kompression des Gases (301 → 302), Zufuhr von Brennstoff und anschließender Verbrennung (302 → 303), Expansion des Gases in der Turbine zwecks Antrieb des Kompressors (303 → 303'), Strömung in rotierenden Kanälen (303' → 304), Wärmetransfer vom heißen Gas an die Innenwand des rotierenden Kanals (304 → 305) und Abführung nicht verwertbarer Wärme (305 → 301) in einen Schornstein (nicht dargestellt). Es liegt ein direkter kontinuierlicher Wärmetransfer von dem heißen Gas in den Verdampfer und auch an die Dampfströmung zwecks Überhitzung derselben vor. Die zugehörigen Komponenten des Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) sind Kompressor (320), Brennkammer (321), Turbine (322), die Kompakte Dampfturbine (323), der Kühler (48) und der Generator (324).
Der Clausius-Rankine-Zyklus ist gekennzeichnet durch Kondensation (307 → 308), Druckaufbau (308 → 309), Erhitzung (309 → 310), Verdampfung (310 → 311), Dampfüberhitzung (311 → 306) und Expansion des Dampfes in rotierenden Kanälen (Arbeit des Dampfes für Vortrieb) (306 → 307). Die thermodynamischen Prozesse Dampfüberhitzung (311 → 306) und Expansion (306 → 307) finden in den rotierenden schraubenförmigen Kanälen für Dampf (3) statt. Die abgeführte Wärme zum Kühler (48) ist nach Abzug der Verluste als Wärme für Heizzwecke nutzbar. Die Wärme des heißen Gases wird in einem Wärmeaustauschprozess nachfolgend an ein zweites Arbeitsmedium (16) transferiert.
Es liegt eine Vereinfachung des Gesamtsystems vor; denn der Vortrieb wird nur in dem Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) erzielt. D. h. bei geeigneter Auslegung des Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) wird kein weiteres Turbinenrad bzw. Turbinenradsystem benötigt. Es ist somit offensichtlich, dass nur ein Generator für zwei sehr kleine Komponenten benötigt wird und durch die Integration in die kompakte Dampfturbine wird eine Speisepumpe nicht benötigt. Eine Vereinfachung ist somit erreicht. Für den Joule-Prozess ist beachtenswert, dass die Enthalpiedifferenz zur Zustandsänderung in der Turbine (303 → 303') nur zum Betrieb des Kompressors benötigt wird. Bei kleinen Turbinen liegen typische Drehzahlen von mehr als 100.000 U/min vor. Es reicht aus, einen Generator (324) an die kompakte Dampfturbine (323) zu koppeln, wobei das Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) zentraler Bestandteil der kompakten Dampfturbine (323) ist – und somit Bestandteil einer Gas- und Dampfturbinen-Kombianlage in einem sehr kleinen BHKW. Ein großer Vorteil ist somit, dass kein Generator für diese hohen Drehzahlen benötigt wird.
Die kompakte Dampfturbine (323) weist eine spezielle Geometrie mit einer Trennplatte (49) zwischen Kühl- und Verdampferraum auf, in den das Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) integriert ist. Zwecks Vergleich mit den thermodynamischen Bedingungen sind hier die Übergänge im Temperatur-Entropie Diagramm beschrieben. In dem Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) finden der Joule und der Clausius-Rankine-Prozess statt, wobei die Strömung in rotierenden Kanälen mit Verrichtung von Arbeit (303' → 304) verbunden ist. Der Wärmetransfer (304 → 305) erfolgt von der Gasströmung (10) zur Innenwand des Kanals und schließlich durch das Material zur Dampfströmung (20). Auch hier ist eine Vereinfachung erzielt, da diese Prozesse erfindungsgemäß in einer Komponente – dem Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) – stattfinden. Die Erhitzung (309 → 310) erfolgt in der Außenwand der rotierenden Kessels (50). Die Verdampfung (310 → 311), die Dampfüberhitzung (311 → 306) und die Verrichtung von Arbeit (306 → 307) finden ebenso in einer Komponente statt.
Mindestens zwei Kombisysteme für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) lassen sich derart kombinieren (nicht dargestellt), und an einen gemeinsamen Generator (324) mechanisch anbinden.
Bezugszeichenliste

1: Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb
2: Schraubenförmiger Kanal für heißes Gas
3: Schraubenförmiger Kanal für Dampf
10: Strömung heißer Gase
12: Einlass für heiße Gase
14: Auslass für heiße Gase
16: Zweites Arbeitsmedium
18: Dampf (Dampfphase des zweiten Arbeitsmediums)
20: Dampfströmung
22: Einlass für Dampf
24: Schraubenförmiges Rohr als Verlängerung des schraubenförmigen Kanals für Dampf
26: Schraubenförmiger Kanal für heiße Gase in Außenwand
40: Rotierender Kessel
42: Drehachse
44: Rotierender Auslass
46: Vortriebssystem
48: Kühler
49: Trennplatte
50: Außenwand des rotierenden Kessels
52: Kanalverbindung für heiße Gase
61: Zentrale Schale
62: Schraubenförmige Einbuchtung für Kanal der heißen Gase
63: Schraubenförmige Einbuchtung für Kanal der Dampfströmung
64: Gewindezahn
65: Innere Schale
67: Gewinderille
68: Querschnittsfläche
69: Äußere Schale
70: Einbuchtung
71: Wärmeübertragungsfläche
72: Dichtung
74: Schneckenförmige Kanalführungen für heiße Gase
75: Schneckenförmiges Kanalführungen für Dampf
79: Leitblech
90: Rotationsrichtung
301: Zustand des zweiten gasförmigen Arbeitsmediums vor der Kompression
302: Zustand des zweiten gasförmigen Arbeitsmediums nach der Kompression
303: Zustand des zweiten gasförmigen Arbeitsmediums nach der Verbrennung
303': Zustand des zweiten gasförmigen Arbeitsmediums nach der Teilexpansion
304: Zustand des gasförmigen Arbeitsmediums nach der Expansion
305: Zustand des gasförmigen Arbeitsmediums nach Transfer von Wärme an den Clausius-Rankine-Kreisprozess
306: Zustand des zweiten Arbeitsmittels nach Dampfüberhitzung
307: Zustand des zweiten Arbeitsmediums des Dampfes nach Expansion
308: Zustand des zweiten Arbeitsmediums Kondensats nach Kondensation
309: Zustand des zweiten Arbeitsmediums des Kondensats nach Druckaufbau
310: Zustand des zweiten Arbeitsmediums nach Erhitzung
311: Zustand des zweiten Arbeitsmediums nach Verdampfung
320: Kompressor
321: Brennkammer
322: Turbine
323: Kompakte Dampfturbine
324: Generator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3514494 A1 [0001]
DE 402314 [0002]
CH 313656 [0003]
DE 1121635 [0004]
DE 102013004498 A1 [0005]
DE 1947144 [0006]
CH 0117564 [0007]
DE 102008051813 A1 [0008]
EP 0344351 A1 [0009]
DE 1913065 [0010]
DE 10315746 [0011]
DE 102009020337 [0012]
DE 102004062645 A1 [0013]
DE 3813202 [0014]
DE 9409288 U [0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ochkov (ISSN 0040_6015, Thermal Engineering, 2012, Vol. 59, No. 7, pp. 566–572, 2012., DOI:: 10.1134/S0040601512070129) [0018]
Kley et al. (Frontiers in Heat Pipes (FHP), 4, 023004 (2013), DOI: 10.5098/fhp.v4.2.3004) [0019]

Claims

Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) dadurch gekennzeichnet, dass es eine rotationssymmetrische Massenverteilung aufweist und mindestens zwei schraubenförmigen Kanäle für heiße Gase (2) und mindestens zwei schraubenförmige Kanäle für Dampf (3) in ihm verlaufen, wobei diese radial und als auch oder axial versetzt sind, wobei und die Führungen sowohl der schraubenförmige Kanäle für heiße Gase (2) als auch die Führungen der schraubenförmige Kanäle für Dampf (3) der Symmetriebedingung für den Winkelabstand gleich 360°/(Anzahl der jeweiligen schraubenförmigen Kanäle) genügen, wobei die Kanäle radial oder axial versetzt sind bzw. radial und axial versetzt sind, wobei die schraubenförmigen Kanäle für heiße Gase (2) zueinander die gleiche Länge aufweisen und wobei die schraubenförmigen Kanäle für Dampf (3) zueinander die gleich Länge auf weisen.
Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsflächen (68) mindestens von zwei Kanälen über die Länge verändert werden.
Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus mindestens drei Schalen (61, 65, 69) zusammenfügbar ist
Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass strömungsabwärts für die Dampfströmung mindestens zwei rotierende Auslässe (44) angebracht sind.
Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schraubenförmigen Kanäle durch mindestens zwei schraubenförmige Rohre, die als Verlängerung der schraubenförmigen Kanäle für Dampf (24) dienen, verlängert werden.
Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den schraubenförmigen Kanälen die heißen Gasströmungen von einer Windung zur benachbarten Windung eine Einbuchtung (70) vorliegt.
Verfahren zum Bilden eines Kombisystems für Wärmeübertragung und Vortrieb gemäß der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus mindestens vier schraubenförmigen Kanälen, umfassend: a) Guss einer Innenschale b) Guss einer Mittelschale c) Schrauben der heißen Mittelschale auf die kältere Innenschale d) Guss einer Außenschale e) Aufdrehen der heißen Außenschale auf die Mittelschale. f) Abkühlvorgang optional Spannungsglühen des Gesamtsystems bzw. für Keramik a') Formen der Innenschale als Grünkörper b') Formen der Mittelschale als Grünkörper c') Aufdrehen/Schrauben der Mittelschale auf die Innenschale bei Verwendung eines Bindemittels d') Formen einer Außenschale e') Aufdrehen der Außenschale auf die Mittelschale bei Verwendung eines Bindemittels f') Erhitzung im Ofen Sintervorgang
Verfahren für Dampfüberhitzung in einem Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) für eine kleine Gas- und Dampfturbinenkombianlage in einem kleinen Blockheizkraftwerk, umfassend mindestens zwei schraubenförmiger Kanäle für heißes Gase (2) und mindestens zwei schraubenförmige Kanäle für Dampf (3) wobei kontinuierlich über eine bestimmte Länge der rotierenden Kanäle der Dampf überhitzt wird und dabei auch kontinuierlich mechanische Energie der Dampfströmung an die Innenwände der Kanäle für Dampfströmung übertragen wird.
Rotierendes Gesamtsystem bestehend aus mindestens zwei Kombisystemen für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Kopplung an mindestens einen Generator vorliegt.
Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle für heiße Gas und die Kanäle für Dampf sich nicht kreuzen.