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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dampferzeugung, einen hierzu geeigneten Dampferzeuger sowie eine Verwendung, mit deren Hilfe Dampf für nachfolgende technische Prozesse erzeugt werden kann.
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Aus
DE 10 2017 117 122 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Heizkesselsystems bekannt, bei dem durch Verbrennung eines Treibstoffs in einem Heizkessel Dampf mit einer bestimmten Sollbetriebstemperatur und einem bestimmten Sollbetriebsdruck zum Betrieb einer nachgelagerten zur Stromerzeugung vorgesehenen Hochdruck-Dampfturbine erzeugt wird, indem mit Hilfe eines Steuersystems die Temperatur des den Heizkessel verlassenen Dampfes überwacht wird und erforderlichenfalls Wasser in den Dampfstrom eingesprüht wird, um den Dampf auf die Sollbetriebstemperatur abzukühlen.
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Aus
EP 1 702 140 B1 ist es bekannt Dampf auf einem niedrigen Temperatur- und Druckniveau einer als Wälzkolbengebläse ausgestalteten Niederdruck-Entspannungsvorrichtung zuzuführen, um auf einen extrem niedrigen Exergieniveau aus technisch nicht mehr nutzbaren Dampf dennoch elektrische Energie erzeugen zu können.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis die Herstellungskosten für die Erzeugung technisch nutzbaren Dampfes zu verringern.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine kostengünstige Erzeugung eines technisch nutzbaren Dampfes ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Dampferzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie einer Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dampferzeugung, bei dem mit Hilfe einer Fördereinrichtung ein Brennstoff einem Verbrenner zur Erzeugung von Hitze zugeführt wird, mit Hilfe der in dem Verbrenner erzeugten Hitze Dampf mit einem Erzeugungsistdruck erzeugt wird, wobei der Erzeugungsistdruck um eine Druckdifferenz Δp größer als ein für eine technische Nutzung des Dampfes vorgesehener Sollbetriebsdruck ist, und der Dampf mit Hilfe eines aus der thermischen Energie des Dampfes mechanische Energie und/oder elektrische Energie erzeugenden Wälzkolbengebläses auf den Sollbetriebsdruck entspannt wird.
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Anstatt den Dampf bei der Verdampfung mit dem für die nachfolgende technische Nutzung beabsichtigten Sollbetriebsdruck zu erzeugen, wird der Dampf bewusst mit dem um die Druckdifferenz Δp höheren Erzeugungsistdruck erzeugt. Hierbei wird bewusst in Kauf genommen, dass der Dampf dadurch auf einem höheren Energieniveau als nötig vorliegt und hierzu entsprechend mehr Brennstoff verbrannt werden muss. Die für die Druckerhöhung von Δp im Dampf gespeicherte zusätzliche Wärmemenge wird in dem Wälzkolbengebläses zur Energieerzeugung genutzt. Das Wälzkolbengebläse kann vergleichbar zu einem Druckreduzierventil den Dampf von dem Erzeugungsistdruck auf den Sollbetriebsdruck entspannen aber zusätzlich im Vergleich zu niederwertiger Wärmeenergie höherwertigere Energie, insbesondere mechanische Energie und/oder elektrische Energie erzeugen. Eine Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses kann mechanische Energie ausleiten, die als solche genutzt werden kann oder ganz oder teilweise einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt werden kann. Die von dem Wälzkolbengebläse erzeugte Energie kann für die Erzeugung des Dampfes genutzt werden, so dass eine Zufuhr externer elektrischer Energie vermieden oder zumindest reduziert werden kann. Es ist auch möglich die von dem Wälzkolbengebläse erzeugte Energie in ein Stromnetz einzuspeisen und sich diese Energiezufuhr vergüten zu lassen, wodurch zumindest ein Teil der Gestehungskosten für die Erzeugung des Dampfes kompensiert werden können.
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Berechnungen und/oder Versuche haben ergeben, dass auf dem vergleichsweise hohen Druckniveau, das für eine technische Verwendung des Dampfes erforderlich ist, das Wälzkolbengebläse mit einem sehr hohen Wirkungsgrad Wärmeenergie in mechanische Energie umwandeln kann. Unter Vernachlässigung von Reibungs- und Leckageeffekten in dem Wälzkolbengebläse lassen sich für die Konvertierung von thermischer Energie in mechanische Energie theoretische Wirkungsgrade von annähernd 1 erreichen. Selbst wenn in einem worst case Scenario Reibungs- und Leckageeffekten in dem Wälzkolbengebläse und auch eine zusätzliche Wärmeabfuhr über Oberflächen der beteiligten Bauteile infolge einer durch die zusätzliche Verbrennung erhöhten Temperatur berücksichtigt werden, ist ein Wirkungsgrad für die Konvertierung der für die Druckerhöhung von Δp zusätzlich erforderlichen Wärmeenergie in mechanische Energie an der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses von mindestens 0,72 möglich, wobei ein Wirkungsgrad von 0,85 bis 0,95 realistischer sein dürfte. Für die Konvertierung der an der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses vorliegenden mechanischen Energie in elektrische Energie mit Hilfe eines Generators ist ein Wirkungsgrad von ca. 0,8 bis 0,9 zu erwarten. Da die in einem Stromnetz zur Verfügung gestellte elektrische Energie unter Verbrennung des selben Brennstoffs mit einem erheblich schlechteren Wirkungsgrad erfolgt, kann die Erzeugung der mechanischen und/oder elektrischen Energie mit Hilfe des Wälzkolbengebläses in einer Anlage, in der dieser Brennstoff sowieso verbrannt wird, viel effizienter und kostengünstiger erfolgen. Die hierzu erforderliche Druckerhöhung Δp ist hierbei relativ gering, so dass die Bauteilfestigkeit der beteiligten Apparate für den erhöhten Erzeugungsistdruck bei den für die Auslegung üblicherweise angewendeten Sicherheitszuschlägen vollkommen ausreichend ist und keine konstruktiven Anpassungen erforderlich sind. Durch die effiziente Umwandlung von zusätzlicher Wärmeenergie in höherwertige Energieformen durch das Wälzkolbengebläse kann die Nutzung teurer externer höherwertiger Energie reduziert und/oder durch eine Einspeisung in ein Stromnetz eine Kostenkompensation erreicht werden, so dass eine kostengünstige Erzeugung eines technisch nutzbaren Dampfes ermöglicht ist.
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Das nach dem Prinzip der Rotationsverdrängung arbeitende Wälzkolbengebläse weist zwei, insbesondere symmetrische, gegenläufig rotierende Wälzkolben auf, die in einem Abwälzbereich aufeinander abwälzen können. Ein im Ruhezustand des Wälzkolbengebläses zwischen den Wälzkolben in dem Abwälzbereich der Wälzkolben vorgesehener Abstand ist insbesondere derart gewählt, dass unter Berücksichtigung von im laufenden Betrieb auf den Wälzkolben wirkenden Fliehkräften und bei den im laufenden Betrieb zu erwartenden Temperaturen der Abstand minimal wird, vorzugsweise kleiner als 0,1 mm. Der Volumentransport des Dampfes erfolgt in dem Wälzkolbengebläse nicht durch den Abwälzbereich der Wälzkolben hindurch, sondern zwischen dem jeweiligen Wälzkolben und einer Innenseite des Gehäuses. Das Wälzkolbengebläse arbeitet im Wesentlichen isochor. Das Wälzkolbengebläse kann in Form einer Ovalradpumpe ausgeführt sein. Die Wälzkolben können beispielsweise im Wesentlichen den Umriss der Zahl Acht aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die Wälzkolben drei Flügel aufweisen und beispielswiese vergleichbar zu einem Roots-Gebläse ausgestaltet sind. Im Vergleich zu einer Zahnradpumpe weisen die Wälzkolben deutlich weniger abstehende Flügel auf, so dass zwischen zwei Flügeln ein größeres Volumen transportiert werden kann. Insbesondere ist der zwischen zwei Flügeln ausgebildete Bereich im Vergleich zu einem Fußkreis eines Zahnrads konkav ausgebildet. Die Wälzkolben können im Vergleich zu dem Zahnrad einer Zahnradpumpe im mittleren und/oder inneren Bereich nahe der Drehachse verschlankt und/oder konkav ausgeführt sein, so dass innerhalb des Gehäuses mehr Volumen für den Volumentransport zur Verfügung steht und nicht durch das Material der Wälzkolben ausgefüllt ist. Der jeweilige Flügel des Wälzkolbens kann hierbei beispielswiese im Wesentlichen tropfenförmig von der Drehachse des Wälzkolben abstehen. Im Gegensatz zu einer Schraubenpumpe weisen die Wälzkolben des Wälzkolbengebläses nur einen geringen Abwälzbereich auf, so dass Reibungseffekte im Abwälzbereich, sofern überhaupt vorhanden, minimiert werden können. Das Wälzkolbengebläse kann mit einer geringen Gasreibung arbeiten und kann gleichzeitig gegen Flüssigkeitstropfen unempfindlich sein. Die Wälzkolben des Wälzkolbengebläses können bei Drehzahlen betrieben werden, bei denen die Dichtkante am Außenradius Geschwindigkeiten von mehr als etwa 1/10 der Schallgeschwindigkeit erreicht. Ein zwischen den Wälzkolben und dem Gehäuse verbleibender Spalt kann bei einer derartigen Drehzahl als dynamische Dichtung wirken.
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Das eigentlich für die Vakuumtechnik entwickelte Wälzkolbengebläse, das in der Regel in einem Absolutdruckbereich von 0 bar bis 1 bar betrieben wird, wird abweichend zum üblichen Betrieb nicht als Saugpumpe zur Erzeugung eines Vakuums, sondern als Arbeitsmaschine und/oder Generator betrieben. Hierbei hat sich gezeigt, dass das eigentlich nur für einen sehr niedrigen Niederdruckbereich vorgesehene Wälzkolbengebläse tatsächlich auch auf einem hohen Druckbereich sehr effizient betrieben werden kann, sofern die Druckdifferenz zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Wälzkolbengebläses nicht zu hoch wird. Im Vergleich zu einer Turbine beziehungsweise Expander ist die Druckdifferenz beim Wälzkolbengebläse erheblich geringer, wobei jedoch der Wirkungsgrad des Wälzkolbengebläses auch über einen großen Temperaturbereich deutlich besser sein kann. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Wälzkolbengebläse für einen Hochdruckbetrieb ausreichend ertüchtigt. Beispielsweise weist das Wälzkolbengebläse spezielle für den Erzeugungsistdruck geeignet ausgestaltete Dichteinrichtungen auf, mit deren Hilfe aus einem Gehäuse des Wälzkolbengebläses austretende Wellenenden der Wellen der Wälzkolben abgedichtet sind. Die Dichteinrichtung kann insbesondere als mehrstufige Dichtung ausgestaltet sein, bei der zwei oder mehr Dichtelemente in axialer Richtung hintereinander vorgesehen sind, die auf unterschiedlichen Druckniveaus abdichten, so dass jedes Dichtelement gegen eine vergleichsweise geringe und/oder im Wesentlichen jeweils gleich große Druckdifferenz abdichtet. Vorzugsweise ist nur ein Wellenende der Ausgangswelle, die gleichzeitig eine Welle eines der Wälzkolben ist, aus dem Gehäuse herausgeführt, während die übrigen Wellenenden der Wellen der Wälzkolben innerhalb des Gehäuses des Wälzkolbengebläses angeordnet und gelagert sind. Insbesondere weist das Gehäuse des Wälzkolbengebläses zwei miteinander über eine Hochdruckdichtung miteinander verbundene Gehäusehälften auf. Das Gehäuse weist insbesondere nur einen Einlass, einen Auslass und genau eine Wellendurchführung für ein Wellenende der Ausgangswelle als Durchführungen durch das Gehäuse auf.
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Insbesondere wird die in dem Wälzkolbengebläse erzeugte Energie zum vollständigen oder teilweisen Betrieb der Fördereinrichtung mechanisch und/oder elektrisch der Fördereinrichtung zugeführt. Dadurch kann die zum Betrieb der Dampferzeugung durch die Verbrennung des Brennstoffs erforderliche Energie selbst mit Hilfe des Wälzkolbengebläses erzeugt werden. Eine Zufuhr von externer Energie, insbesondere elektrische Energie aus einem Stromnetz, kann reduziert oder sogar vollständig vermieden werden. Die Förderung des Brennstoffs für die Dampferzeugung durch Verbrennung des Brennstoffs kann dadurch autonom ohne externe Energiezufuhr erfolgen und selbständig am Laufen gehalten werden. Dadurch ist es ausreichend wenn lediglich die Bevorratung des Brennstoffs nachgehalten wird. Insbesondere bei Industrieanlagen, die einen kontinuierlichen Bedarf an Dampf auf einem bestimmten Sollbetriebsdruck haben, ergibt sich eine sehr einfache selbstversorgte Dampfversorgung. Vorzugsweise wird als Brennstoff ein Gas, beispielsweise Erdgas, verwendet, so dass die Fördereinrichtung als Gasgebläse ausgeführt sein kann, beispielsweise als Verdichter. Ein Förderorgan der Fördereinrichtung kann von dem Wälzkolbengebläse mechanisch oder elektrisch über einen Antriebsmotor angetrieben werden. Bei einem mechanischen Antrieb der Fördereinrichtung kann das Förderorgan der Fördereinrichtung vergleichbar zu einem Turbolader mit der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläse gekoppelt sein, wobei insbesondere zwischen dem Förderorgan der Fördereinrichtung und der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläse ein Getriebe zur Drehzahlwandlung und/oder eine Trennkupplung und/oder ein, vorzugsweise schaltbarer, Freilauf vorgesehen sein kann. Die Fördereinrichtung kann insbesondere auch aus einem Stromnetz heraus elektrisch angetrieben werden, insbesondere um während einer Anlaufphase, wenn noch kein Dampf auf Erzeugungsistdruck vorliegt, die Fördereinrichtung unabhängig von dem Wälzkolbengebläse betreiben zu können. Besonders bevorzugt kann zumindest ein Teil der von dem Wälzkolbengebläse erzeugten Energie als elektrische Energie in einer wiederaufladbaren Batterie gespeichert werden, so dass die Fördereinrichtung für die Anlaufphase aus der wiederaufladbaren Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden kann, wobei die wiederaufladbare Batterie nach der Anlaufphase von dem Wälzkolbengebläse wieder aufgeladen wird. Die Fördereinrichtung kann dadurch permanent vom Stromnetz getrennt sein und in Situationen, wenn das Wälzkolbengebläse aktuell nicht genügend Energie zum Betrieb der Fördereinrichtung liefert, aus der wiederaufladbaren Batterie gespeist werden.
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Vorzugsweise wird mit Hilfe einer Pumpe ein verdampfbares Arbeitsmedium in einen vom dem Verbrenner erhitzen Dampfkessel gepumpt, wobei die in dem Wälzkolbengebläse erzeugte Energie zum vollständigen oder teilweisen Betrieb der Pumpe mechanisch und/oder elektrisch der Pumpe zugeführt wird. Als Arbeitsmedium kann insbesondere Wasser verwendet werden, wobei es auch möglich ist ein Kältemittel zu verwenden. Das Arbeitsmittel kann vorzugsweise in einem geschlossenen Kreislauf im Kreis geführt sein, wobei das Arbeitsmedium vor der Verdampfung, insbesondere in einem Dampfkessel, kondensiert wird. Besonders bevorzugt wird das Arbeitsmedium nahezu siedend oder etwas unterhalb des Siedepunkts dem Dampfkessel zugeführt, so dass entsprechend wenig Brennstoff verbrannt werden muss, um das Arbeitsmedium zu verdampfen und auf den Erzeugungsistdruck zu bringen. Insbesondere wenn als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, ist es auch möglich ein offenes System zu verwenden, wodurch der apparative Aufwand verringert werden kann und eine spätere Kondensation des Arbeitsmediums eingespart werden kann. Vorzugsweise kann das Arbeitsmedium eine Vorerwärmung und/oder Zwischenüberhitzung, insbesondere mit Hilfe von in dem Arbeitsmedium nach einer technischen Nutzung verbliebenen Restwärme, erfahren, so dass bei der Verbrennung ein geringerer Brennstoffeinsatz ausreichend ist die gewünschte Temperatur und den Erzeugungsistdruck bei der Verdampfung zu erreichen. Durch die Koppelung des Wälzkolbengebläses mit der Pumpe kann die zur Förderung des Arbeitsmediums erforderliche Energie selbst mit Hilfe des Wälzkolbengebläses erzeugt werden. Eine Zufuhr von externer Energie, insbesondere elektrische Energie aus einem Stromnetz, kann reduziert oder sogar vollständig vermieden werden. Die Förderung des Arbeitsmediums für die Dampferzeugung kann dadurch autonom ohne externe Energiezufuhr erfolgen und selbständig am Laufen gehalten werden. Insbesondere bei Industrieanlagen, die einen kontinuierlichen Bedarf an Dampf auf einem bestimmten Sollbetriebsdruck haben, ergibt sich eine sehr einfache selbstversorgte Dampfversorgung. Ein Förderorgan der Pumpe kann von dem Wälzkolbengebläse mechanisch oder elektrisch über einen Antriebsmotor angetrieben werden. Bei einem mechanischen Antrieb der Pumpe kann das Förderorgan der Pumpe vergleichbar zu einem Turbolader mit der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläse gekoppelt sein, wobei insbesondere zwischen dem Förderorgan der Pumpe und der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläse ein Getriebe zur Drehzahlwandlung und/oder eine Trennkupplung und/oder ein, vorzugsweise schaltbarer, Freilauf vorgesehen sein kann. Die Pumpe kann insbesondere auch aus einem Stromnetz heraus elektrisch angetrieben werden, insbesondere um während einer Anlaufphase, wenn noch kein Dampf auf Erzeugungsistdruck vorliegt, die Pumpe unabhängig von dem Wälzkolbengebläse betreiben zu können. Besonders bevorzugt kann zumindest ein Teil der von dem Wälzkolbengebläse erzeugten Energie als elektrische Energie in einer wiederaufladbaren Batterie gespeichert werden, so dass die Pumpe für die Anlaufphase aus der wiederaufladbaren Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden kann, wobei die wiederaufladbare Batterie nach der Anlaufphase von dem Wälzkolbengebläse wieder aufgeladen wird. Die Pumpe kann dadurch permanent vom Stromnetz getrennt sein und in Situationen, wenn das Wälzkolbengebläse aktuell nicht genügend Energie zum Betrieb der Fördereinrichtung liefert, aus der wiederaufladbaren Batterie gespeist werden.
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Besonders bevorzugt wird zumindest ein Teil der in dem Wälzkolbengebläse erzeugten Energie in ein Stromnetz eingespeist. Die in das Stromnetz eingespeiste Energie kann vergütet werden, so dass mit dieser Vergütung Herstellungskosten für die Dampferzeugung zumindest teilweise kompensiert werden können. Berechnungen zeigen, dass die in dem Wälzkolbengebläse erzeugbare elektrische Energie größer ist als für ein Gasgebläse zur Förderung von Erdgas als Brennstoff erforderlich ist, so dass ein Anteil der in dem Wälzkolbengebläse erzeugten Energie intern nicht benötigt wird und über das Stromnetz an externe Verbraucher abgeführt werden kann. Durch die Verwendung des Wälzkolbengebläses zur Druckreduzierung kann neben der Erzeugung von Dampf für technische Zwecke sogar noch zusätzlich verfügbare hochwertige Energie erzeugt werden. Nicht nur, dass die Dampferzeugung prinzipiell ohne externe elektrische Energie auskommt, kann bei der Dampferzeugung auch noch frei verfügbare elektrische Energie erzeugt werden, ohne dass hierzu spezielle konstruktive Anpassungen des Verbrenners und des Dampfkessels erforderlich wären.
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Insbesondere wird zumindest nach einer Anlaufphase zur Erreichung eines regulären Betriebszustands die Dampferzeugung ausschließlich rein thermisch durch die Verbrennung des Brennstoffs betrieben. Eine Zufuhr externer elektrischer Energie kann vermieden werden, so dass beispielsweise bei einem hohen Dampfbedarf in einer Industrieanlage ein allgemeines Stromnetz nicht belastet wird und Störungen im Stromnetz durch plötzliche hohe Energieaufnahmen bei der Dampferzeugung für die Industrieanlage vermieden sind. Wenn eine wiederaufladbare Batterie vorgesehen ist, die von dem Wälzkolbengebläse im regulären Betriebszustand aufgeladen werden kann, können bei der Dampferzeugung verwendete elektrische Verbraucher während der Anlaufphase aus der wiederaufladbaren Batterie gespeist werden, so dass auch in der Anlaufphase ein batterieunterstützer rein thermischer Betrieb ohne externes Stromnetz ermöglicht ist, da auch die in der wiederaufladbaren Batterie gespeicherte elektrische Energie ein Resultat der thermischen Verbrennung bei einer vorherigen Dampferzeugung ist.
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Vorzugsweise wird die Förderleistung der Fördereinrichtung derart eingestellt, dass die Druckdifferenz Δp 0,1 bar ≤ Δp ≤ 2,5 bar, insbesondere 0,3 bar ≤ Δp ≤ 1,5 bar und vorzugsweise 0,5 bar ≤ Δp ≤ 1,0 bar beträgt. Diese Druckdifferenz kann von dem Wälzkolbengebläse mit einem sehr hohen Wirkungsgrad genutzt werden, um mechanische und/oder elektrische Energie zu erzeugen. Berechnungen zeigen, dass eine derartig kleine Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass von dem Wälzkolbengebläse durchaus noch wirtschaftlich zur Energieerzeugung mit hohen Wirkungsgrad genutzt werden kann. Eine Regelung der Förderleistung der Fördereinrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen Erzeugungsistdruck ist hierbei ausreichend und einfach umzusetzen. Über die Förderleistung der Fördereinrichtung kann die der Verbrennung zugeführte Brennstoffmenge beeinflusst werden, so dass der Energieeintrag in den Dampfkessel in Folge der bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungswärme beeinflusst werden kann.
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Besonders bevorzugt beträgt der Sollbetriebsdruck ps ps ≥ 1,2 bar, insbesondere 2,0 bar ≤ ps ≤ 100 bar, vorzugsweise 5,0 bar ≤ ps ≤ 50 bar, weiter bevorzugt 7,0 bar ≤ ps ≤ 30 bar und besonders bevorzugt 9,0 bar < ps ≤ 15 bar. Auf einem derartigen Druckniveau kann Dampf für technische Prozesse in Druckverbrauchern und/oder in Heizungen genutzt werden. Bei einer Nutzung des Dampfes zu Heizzwecken ist ein geringeres Druckniveau von in der Regel kleiner 3 bar ausreichend, während bei einem technischen Prozess in der Industrieanlage ein eher höheres Druckniveau von in der Regel mindestens 5 bar gewünscht ist.
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Insbesondere wird das Wälzkolbengebläse bei einem Wirkungsgrad η für ein Verhältnis der bei der Verbrennung für die Druckerhöhung von Δp zusätzlich erzeugten thermischen Energie und einer an einer Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses von einem Generator abgreifbaren mechanischen Energie von 0,75 ≤ η ≤ 1,0, insbesondere 0,80 ≤ η ≤ 0,99, vorzugsweise 0,90 ≤ η ≤ 0,98 und besonders bevorzugt 0,95 ≤ η ≤ 0,97 betrieben. Bei einer hinreichend geringen Druckdifferenz Δp kann das für das gewünschte Druckniveau ertüchtigte Wälzkolbengebläse extrem effizient betrieben werden, ohne dass konstruktive Anpassungen an für die Dampferzeugung vorgesehenen Anlagenteilen erforderlich sind. Dadurch lässt sich sehr einfach niederwertige thermische Energie in höherwertige mechanische Energie umwandeln, die in nachfolgenden Prozessen sehr viel effizienter genutzt werden kann.
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Vorzugsweise wird eine zum Ausleiten mechanischer Energie vorgesehene Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses mit einer Drehzahl n von 500 U/min ≤ n ≤ 10000 U/min, insbesondere 1000 U/min ≤ n ≤ 6000 U/min und vorzugsweise 4000 U/min ≤ n ≤ 5000 U/min betrieben. Bei einer derartigen Drehzahl können Leckagen an einem zwischen den Wälzkolben und dem Gehäuse ausgebildeten Spalt minimiert werden, wodurch der Wirkungsgrad verbessert ist. Derartige Drehzahlen können von geeigneten Gleitlagern leicht ertragen werden. Zudem können die Wälzkolben die angreifenden Fliehkräfte aushalten, ohne dass eine plastische Verformung zu befürchten ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Dampferzeuger zur Durchführung des Verfahrens, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, mit einem Dampfkessel zum Verdampfen eines verdampfbaren Arbeitsmediums auf einem Erzeugungsistdruck, einem Verbrenner zum Erhitzen des Arbeitsmediums in dem Dampfkessel durch eine Verbrennung von Brennstoff, einer Fördereinrichtung zum Fördern des Brennstoffs in den Verbrenner, einer Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums in den Dampfkessel, einem an dem Dampfkessel angeschlossenen Wälzkolbengebläse zur Entspannung des im Wesentlichen auf dem Erzeugungsistdruck zugeführten Dampfes auf einen um eine Druckdifferenz Δp zu dem Erzeugungsistdruck niedrigeren Sollbetriebsdruck und einem stromabwärts zu dem Wälzkolbengebläse vorgesehenen Druckverbraucher, insbesondere Wärmekraftmaschine und/oder Heizung, zur technischen Nutzung des im Wesentlichen auf Sollbetriebsdruck zugeführten Dampfes unter Verringerung des Druckes und/oder der Temperatur des Dampfes, wobei eine an einer Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses abgreifbare mechanische Energie zumindest teilweise mechanisch und/oder elektrisch mit einem Stromnetz und/oder mit der Fördereinrichtung und/oder mit der Pumpe gekoppelt ist. Der Dampferzeuger kann insbesondere wie vorstehend anhand des Verfahrens erläutert aus- und weitergebildet sein. Durch die effiziente Umwandlung von zusätzlicher Wärmeenergie in höherwertige Energieformen durch das Wälzkolbengebläse kann die Nutzung teurer externer höherwertiger Energie reduziert und/oder durch eine Einspeisung in ein Stromnetz eine Kostenkompensation erreicht werden, so dass eine kostengünstige Erzeugung eines technisch nutzbaren Dampfes ermöglicht ist.
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Insbesondere ist über einen Generator zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie eine wiederaufladbare Batterie an der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses angekoppelt. Der Generator kann die an einer Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses ausgeleitete mechanische Energie ganz oder teilweise in elektrische Energie wandeln und in der wiederaufladbaren Batterie speichern. An der wiederaufladbaren Batterie können elektrische Verbraucher angeschlossen sein, die dadurch ohne eine Verbindung zu einem externen Stromnetz betrieben werden können. Vorzugsweise ist die Fördereinrichtung und/oder die Pumpe an der wiederaufladbaren Batterie angeschlossen, so dass die Fördereinrichtung und/oder die Pumpe auch ohne Anschluss an einem externen Stromnetz betrieben werden können.
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Vorzugsweise ist die Fördereinrichtung und/oder die Pumpe mechanisch mit der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses gekoppelt. Insbesondere ist zwischen der Fördereinrichtung und/oder der Pumpe einerseits und der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses andererseits ein Getriebe zur Drehzahlwandlung und/oder eine Trennkupplung und/oder ein, vorzugsweise schaltbarer, Freilauf vorgesehen. Die Fördereinrichtung und/oder die Pumpe können dadurch von dem Wälzkolbengebläse angetrieben werden, ohne dass hierzu ein Energieeintrag aus einem externen Stromnetz erforderlich ist.
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Besonders bevorzugt ist ein Förderregler zur Regelung einer Förderleistung der Fördereinrichtung in Abhängigkeit von dem aktuellen Erzeugungsistdruck vorgesehen. Eine Regelung der Förderleistung der Fördereinrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen Erzeugungsistdruck ist hierbei ausreichend und einfach umzusetzen. Über die Förderleistung der Fördereinrichtung kann die der Verbrennung zugeführte Brennstoffmenge beeinflusst werden, so dass der Energieeintrag in den Dampfkessel in Folge der bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungswärme beeinflusst werden kann.
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Insbesondere ist ein Drehzahlregler zur Regelung einer Drehzahl der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses vorgesehen. Dadurch lässt sich die Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe eines Generators weiter optimieren, so dass der Generator bei einem möglichst hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Um die Drehzahl der Ausgangswelle auf einer optimalen Drehzahl im Wesentlichen konstant zu halten, kann beispielsweise eine an dem Wälzkolbengebläse vorbei geführte Bypassleitung vorgesehen sein, über die ein Teil des Volumenstroms des Dampfes abgeleitet werden kann, um eine zu hohe Drehzahl an der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses zu vermeiden. Der über die Bypassleitung abgeleitete Volumenstrom kann stromabwärts zum Drehkolbengebläse wieder zugemischt werden, so dass der Dampf einen möglichst hohen Energieinhalt aufweisen kann. Erforderlichenfalls kann die Bypassleitung über ein Druckreduzierventil stromabwärts zum Drehkolbengebläse angeschlossen sein, um möglichst exakt den Sollbetriebsdruck vorliegen zu haben.
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Vorzugsweise weist das Wälzkolbengebläse eine für den Erzeugungsistdruck ausgelegte Dichteinrichtung zum Abdichten der Ausgangswelle gegenüber einem Gehäuse des Wälzkolbengebläses auf. Mit Hilfe der Dichteinrichtung kann ein aus einem Gehäuse des Wälzkolbengebläses austretendes Wellenende der Ausgangswelle, die mit einer Welle eines der Wälzkolben identisch sein kann, abgedichtet sein. Die Dichteinrichtung kann insbesondere als mehrstufige Dichtung ausgestaltet sein, bei der zwei oder mehr Dichtelemente in axialer Richtung hintereinander vorgesehen sind, die auf unterschiedlichen Druckniveaus abdichten, so dass jedes Dichtelement gegen eine vergleichsweise geringe und/oder im Wesentlichen jeweils gleich große Druckdifferenz abdichtet.
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Besonders bevorzugt ist nur das Wellenende der Ausgangswelle, die insbesondere gleichzeitig eine Welle eines der Wälzkolben ist, aus dem Gehäuse herausgeführt. Die übrigen Wellenenden der Wellen der Wälzkolben können innerhalb des Gehäuses des Wälzkolbengebläses angeordnet und gelagert sein. Insbesondere weist das Gehäuse des Wälzkolbengebläses zwei miteinander über eine Hochdruckdichtung miteinander verbundene Gehäusehälften auf. Das Gehäuse weist insbesondere nur einen Einlass, einen Auslass und genau eine Wellendurchführung für ein Wellenende der Ausgangswelle als Durchführungen durch das Gehäuse auf.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines Wälzkolbengebläses als Druckreduzierventil zur Reduzierung eines auf einem Erzeugungsistdruck erzeugten Dampfes auf einen Sollbetriebsdruck für einen Druckverbraucher, der insbesondere Teil einer Industrieanlage ist, unter gleichzeitiger Erzeugung von mechanischer Energie und/oder elektrischer Energie aus der thermischen Energie des zugeführten Dampfes. Anstatt in einem herkömmlichen Druckreduzierventil zur Reduzierung des Erzeugungsistdruck auf den Sollbetriebsdruck Exergie des Dampfes zu vernichten, wird die ansonsten vernichtete Exergie durch das das herkömmliche Druckreduzierventil ersetzende Wälzkolbengebläse in höherwertige nutzbare Energie umgewandelt. Das Wälzkolbengebläse kann insbesondere in dem vorstehend beschrieben Verfahren und/oder in dem vorstehend beschriebenen Dampferzeuger verwendet werden. Vorzugsweise kann die Verwendung des Wälzkolbengebläses wie anhand des vorstehend beschrieben Verfahrens und/oder anhand des vorstehend beschriebenen Dampferzeugers erläutert aus- und weitergebildet sein. Durch die effiziente Umwandlung von zusätzlicher Wärmeenergie in höherwertige Energieformen durch das Wälzkolbengebläse kann die Nutzung teurer externer höherwertiger Energie reduziert und/oder durch eine Einspeisung in ein Stromnetz eine Kostenkompensation erreicht werden, so dass eine kostengünstige Erzeugung eines technisch nutzbaren Dampfes ermöglicht ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
- 1: eine schematische Prinzipdarstellung eines Dampferzeugers.
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Der in 1 dargestellte Dampferzeuger 10 kann zur Dampferzeugung für eine Industrieanlage verwendet werden. Der Dampferzeuger 10 weist einen Verbrenner 12 auf, in dem ein von einer Fördereinrichtung 14 geförderter Brennstoff, beispielsweise Erdgas, verbrannt werden kann. Mit Hilfe des in dem Verbrenner 12 verbrannten Brennstoffs kann ein Dampfkessel 16 erhitzt werden, in dem ein von einer Pumpe 18 gefördertes Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, zugeführt wurde. Das vorzugsweise, insbesondere bis an den Siedepunkt, vorgewärmte Arbeitsmedium wird in dem Dampfkessel 16 verdampft und liegt am Ausgang des Dampfkessels 16 auf einem Erzeugungsistdruck vor, der beispielsweise mit Hilfe eines am Ausgang des Dampfkessels 16 vorgesehenen, insbesondere einstellbaren und/oder regelbaren, Druckventil vorgegeben werden kann. Beispielsweise wird der Erzeugungsistdruck und/oder ein Volumenstrom und/oder eine Temperatur des Dampfes gemessen und einem Förderregler 20 zugeführt, um die dem Verbrenner 12 zuzuführende Brennstoffmenge zu regeln, so dass der Dampf auf einem genau definierten Energiezustand vorliegen kann.
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Von dem Dampfkessel 16 aus wird der Dampf einem Wälzkolbengebläse 22 zugeführt, wo der Dampf um eine vergleichsweise geringe Druckdifferenz Δp von beispielsweise 1,5 bar oder weniger auf einen Sollbetriebsdruck entspannt wird. Genau mit diesem Sollbetriebsdruck, der beispielsweise 8 bar beträgt, sollen in einer Industrieanlage Druckverbraucher 24 beaufschlagt werden. Das Wälzkolbengebläse 22 kann hierbei mit einem sehr hohen Wirkungsgrad über eine Ausgangswelle 26 ausleitbare mechanische Energie erzeugen, die beispielsweise mit Hilfe eines Generators 28 in elektrische Energie gewandelt und einem externen Stromnetz 30 zugeführt werden kann. Es ist auch möglich zumindest einen Teil der elektrischen Energie in einer wiederaufladbaren Batterie 32 zu speichern, mit deren Hilfe die Fördereinrichtung 14 und/oder die Pumpe 18 elektrisch angetrieben werden können, so dass die Fördereinrichtung 14 und/oder die Pumpe 18 ohne Verbindung zum externen Stromnetz 30 unabhängig betrieben werden können. Zusätzlich oder alternativ kann die Ausgangswelle 26 des Wälzkolbengebläses 22 mechanisch mit der die Fördereinrichtung 14 und/oder mit der Pumpe 18 gekoppelt sein, wobei hierbei insbesondere jeweils eine Koppeleinrichtung 34 zwischengeschaltet sein kann. Die Koppeleinrichtung 34 kann beispielsweise ein Getriebe zur Drehzahlwandlung und/oder eine Trennkupplung und/oder einen, insbesondere schaltbaren, Freilauf aufweisen. Im Vergleich zu einem Druckreduzierventil wird bei dem Wälzkolbengebläse 22 nicht Exergie vernichtet, sondern in höherwertige Energieformen umgewandelt und zur Verringerung des Energiebedarfs des Dampferzeugers 10 genutzt, um den niedrigeren Sollbetriebsdruck einzustellen.
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In einem konservativ gerechneten Rechenbeispiel wird von einem Sollbetriebsdruck von 8 bar ausgegangen. Für den Erzeugungsistdruck werden 9,5 bar vorgegeben, was zu einer von dem für ein Druckniveau von 10 bar ertüchtigten Wälzkolbengebläse 22 sehr gut zu bewältigenden Druckdifferenz Δp von 1,5 bar führt. Durch den auf 9,5 bar erhöhten Druck am Ausgang des Dampfkessels 12 hat sich die Siedetemperatur des als Arbeitsmedium verwendeten Wassers um ca. 7 K erhöht. Eine Absenkung des Wirkungsgrads des Dampfkessels 16 infolge erhöhter Abgasverluste und Wärmeverluste über die Kesseloberfläche bei der erhöhten Temperatur kann bei einer derartig geringen Druck- und Temperaturerhöhung im Wesentlichen vernachlässigt werden und würde allenfalls in der Größenordnung von -0,4% liegen. Um am Dampfkessel 16 anstelle von 8 bar die 9,5 bar zu erreichen, ist bei einem Massenstrom des Arbeitsmediums von 4 t/h somit eine zusätzliche thermische Leistung von 29 kW erforderlich, die durch eine entsprechend erhöhte Menge von verbranntem Brennstoff in dem Verbrenner 12 leicht erreicht werden kann. Wenn der Dampf in dem Wälzkolbengebläse 22 von 9,5 bar auf 8 bar entspannt wird, lässt sich bei einem Wirkungsgrad des Generators 28 von ca. 80% eine elektrische Nutzleistung von mindestens ca. 14,5 kW erreichen. Dies entspricht im Wesentlichen dem elektrischen Energiebedarf der Fördereinrichtung 14, der in der Regel unter 14 kW liegt. Im tatsächlichen Betrieb ist eine deutlich höhere elektrische Nutzleistung zu erwarten. Zudem ist die mechanische Leistung des Wälzkolbengebläses 22 vor der Konvertierung in elektrische Leistung deutlich höher, so dass nach dem Betrieb der Fördereinrichtung 14 noch genug Energie übrig bleibt, um die wiederaufladbare Batterie 32 zu speisen, die Pumpe 18 anzutreiben und/oder elektrische Nutzleistung in das externe Stromnetz 30 einzuspeisen. Darüber hinaus hat sich durch die zusätzliche Verbrennung die Dampfleistung um ca. 10,3 kWth erhöht, die in den Druckverbrauchern 24 zusätzlich genutzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017117122 A1 [0002]
- EP 1702140 B1 [0003]
