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Die Erfindung bezieht sich auf Arbeitsmaschinen,
wie sie zur Zerkleinerung von Brennstoffen, zur Trocknung von Brennstoffen
und zur Zuführung von
Brennstoffen in Brennräume
benutzt werden., In der Praxis zeigt sich immer mehr das Problem
bestimmte Brennstoffe, wie zum Beispiel Papier, Kunststoffe, biologische
Abfälle
und Klärschlämme effektiv verbrennen
zu können.
Soll die Verbrennung mit möglichst
hohen Temperaturen und in geringer Zeit stattfinden, so ist der
Brennstoff zur Erzeugung einer möglichst
großen
Oberfläche
so weit wie möglich
zu zerkleinern. Soll der Heizwert der Brennstoffe maximal sein,
so ist der Brennstoff so trocken wie möglich zu verbrennen.
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Zur Zeit ist es gängige Praxis feste Brennstoffe,
wie zum Beispiel Holz, Papier und Kunststoffe, mit Hilfe entsprechender
Zerkleinerungsmaschinen zu zerkleinern und entsprechenden Brennräumen mit Hilfe
von Luftströmen
zuzuführen.
Problematisch sind insbesondere Verunreinigungen von zerkleinerten
festen Brennstoffen, zum Beispiel durch Lebensmittelrestereste, Öle oder
Fette, die dazu führen
können,
daß die
zerkleinerten festen Brennstoffe Klumpen bilden, die eine gleichmäßige Zuführung des
zu verbrennenden festen Brennstoffs zum Brennraum erschweren oder
gar verhindern. Um dies zu verhindern werden Brennstoffe vor deren
Zerkleinerung zum Teil gereinigt, was mit einem entsprechenden Energieaufwand
verbunden ist. Weiterhin ist mit dem Transport von zerkleinerten
festen Brennstoffen mit Hilfe von Luftströmen ein entsprechender Energieaufwand
verbunden. Brennstoffe, die mit Hilfe von Luftströmen transportiert
werden sollen, dürfen
weiterhin einen bestimmten Feuchtigkeitsgehalt nicht überschreiten.
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Durch die Zerkleinerung von festen
Brennstoffen, wie Holz, Papier und Plastik, in Zerkleinerungsmaschinen
nach dem Stand der Technik, werden die Zerkleinerungsmaschinen und
die zu zerkleinernde festen Brennstoffe derartig stark erwärmt, daß die Zerkleinerungsmaschinen
gekühlt
werden müssen,
um technischen Schäden
vorzubeugen. Die den Zerkleinerungsmaschinen nach dem Stand der Technik
entzogene Wärme,
wird in der Regel nicht bewußt
genutzt. Zur Kühlung
werden sowohl Wasser- als auch Luftströme benutzt. Die Zerkleinerungsmaschinen
erfahren eine Erwärmung,
da die Ursache für
die Zerkleinerung der festen Brennstoffe deren elastische und plastische
Verformung bis zum Riß ist
und eine elastische und plastische Verformung zur Erwärmung des
Materials, hier der festen Brennstoffe, welches verformt wird, führt. Die
Erwärmung
der festen Brennstoffe aufgrund ihrer Zerkleinerung führt im weiteren
zu einer Erwärmung
der Zerkleinerungsmaschine. Erwärmungen
sind bei Zerkleinerungsvorgängen
nicht vermeidbar.
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Sollen als Brennstoffe biologische
Abfälle und
Klärschlämme verwendet
werden, so werden diese, um sie effektiv verbrennen zu können, vorher getrocknet,
um so deren Heizwert soweit wie möglich zu erhöhen. Die
zur Verdampfung des in den Brennstoffen vorhandenen Wassers notwendige
Energie soll möglichst
nicht durch die durch den Verbrennungsvorgang entstehende thermischen
Energie aufgebracht werden. Sollen jedoch Brennstoffe, wie zum Beispiel
Klärschlämme, getrocknet
werden, ist hierzu entsprechende Energie aufzuwenden, ob diese nun
durch einen Verbrennungsvorgang entsteht oder nicht.
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Um Energie zu sparen, ist jeder technische Vorgang
so durchzuführen,
daß möglichst
wenig Energie verbraucht wird oder abfallende Energie, zum Beispiel
entstehende Wärmeenergie,
an anderer Stelle genutzt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Brennstoffe
in einem Arbeitsgang möglichst
effektiv zu zerkleinern, feuchte Brennstoffe energiesparend zu trocknen
und die Brennstoffe energiesparend gleichmäßig einem Brennraum zuzuführen.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand
des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung
der Arbeitsmaschine zur Zerkleinerung von Brennstoffen, zur Trocknung
von Brennstoffen und zur Zuführung
von Brennstoffen in Brennräume
mit peripheren Vorrichtungen, Maschinen und Lagerbehältern, werden
in einem Arbeitsgang Brennstoffe effektiv zerkleinert, feuchte Brennstoffe
energiesparend getrocknet und die Brennstoffe energiesparend gleichmäßig einem
Brennraum zugeführt,
wobei die bei der Zerkleinerung der Brennstoffe entstehende Wärmeenergie genutzt
wird.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin,
daß die
Arbeitsmaschine zur Zerkleinerung von Brennstoffen, zur Trocknung
von Brennstoffen und zur Zuführung
von Brennstoffen in Brennräume
räumlich sehr
klein ausgeführt
wird, sie jedoch eine äußerst hohe
Zerkleinerungsleistung besitzt, wodurch die Arbeitsmaschine bei
der Zerkleinerung von Brennstoffen mit einer relativ hohen Schlagzähigkeit,
aufgrund der elastischen und plastischen Verformung der Brennstoffe
bei deren Zerkleinerung, äußerst stark erwärmt wird,
wobei zur Kühlung
der Arbeitsmaschine trockene oder feuchte Brennstoffe mit einer
relativ geringen Schlagzähigkeit
oder Brennstoffe die nicht mehr zerkleinert werden müssen, verwendet
werden. Feuchte Brennstoffe werden beim Passieren der Arbeitsmaschine
getrocknet. Die Brennstoffe werden beim Verlassen der Arbeitsmaschine
in einen Brennraum geschleudert, weisen im günstigsten Fall jedoch immer
noch eine Temperatur auf, die über
deren Zündtemperatur
liegt.
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Unter der Zerkleinerungsleistung
ist das Vermögen
der Arbeitsmaschine zu verstehen, in einer Zeiteinheit die notwendige
Arbeit verrichten zu können,
welche zum Zerkleinern einer bestimmten Menge Brennstoff bis zum
gewünschten
Grad notwendig ist.
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Die Arbeitsmaschine wird im Groben
betrachtet mit bis zu sechs unterschiedlichen Brennstoffen beaufschlagt.
Grob eingeteilt handelt es sich bei den Brennstoffen um zu zerkleinernde
trockene Brennstoffe mit relativ hoher Schlagzähigkeit, um zu zerkleinernde
feuchte Brennstoffe mit relativ hoher Schlagzähigkeit, um zu zerkleinernde
trockene Brennstoffe mit relativ geringer Schlagzähigkeit,
um zu zerkleinernde feuchte Brennstoffe mit relativ geringer Schlagzähigkeit,
um zerkleinerte trockene Brennstoffe und zerkleinerte feuchte Brennstoffe.
Wobei die Schlagzähigkeit
der Brennstoffe ein Maß für die zu
erwartende Erwärmung
der Arbeitsmaschine ist. Je höher
die Schlagzähigkeit
der Brennstoffe, um so mehr wird die Arbeitsmaschine bei der Zerkleinerung erhitzt,
eine konstante Durchsatzleistung und eine konstante mittlere Partikelgröße des zu
zerkleinernden Brennstoffes vorausgesetzt. Im Weiteren können bei
der Einteilung der Brennstoffe zum Beispiel auch die Feuchtigkeit,
der vorliegende Zerkleinerungsgrad und die Heizwerte der Brennstoffe
berücksichtigt werden.
Die Einteilung der vorhandenen Brennstoffe und damit die Anzahl
der unterschiedlichen Brennstoffe, mit welchen die Arbeitsmaschine
beaufschlagt wird, kann unter sechs aber auch über sechs liegen.
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Die Arbeitsmaschine besitzt ein Volumen und
eine Oberfläche,
welche so bemessen sind, daß die
stattfindende Zerkleinerungsleistung bei Verwendung bestimmter Brennstoffe
zu einer starken Erwärmung
der Arbeitsmaschine führt.
Das Volumen und die Oberfläche
der Arbeitsmaschine sind also so klein, daß die entstehende Wärme bei
der Zerkleinerung bestimmter Brennstoffe nicht über die Oberfläche der
Arbeitsmaschine an die Umgebung abgegeben werden kann, auch wenn
im Inneren der Arbeitsmaschine Temperaturen um 600°C herrschen.
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Brennstoffe, die zu einer starken
Erwärmung der
Arbeitsmaschine führen,
sind zu zerkleinernde trockene Brennstoffe mit relativ hoher Schlagzähigkeit,
wie zum Beispiel einige Kunststoffe, und zu zerkleinernde feuchte
Brennstoffe mit relativ hoher Schlagzähigkeit, wie zum Beispiel frisches
Holz. Bei der Verwendung von zu zerkleinernden Brennstoffen mit
hoher Schlagzähigkeit,
steigt die Temperatur im Inneren der Arbeitsmaschine aufgrund des
Zerkleinerungsvorganges und die damit zwangsläufig verbundene Erwärmung, schnell
auf Werte zwischen 200°C
und 600°C.
Die entstehende Temperatur wird genutzt, um zum Beispiel zu zerkleinernden
feuchten Brennstoff mit relativ hoher Schlagzähigkeit und zerkleinerten feuchten
Brennstoff zu trocknen.
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Um eine Erwärmung der Arbeitsmaschine im Inneren über ca.
200°C bis
600°C zu
verhindern, wird dem zu zerkleinernden Brennstoff relativ hoher Schlagzähigkeit,
zerkleinerter trockener Brennstoff, zum Beispiel Kohlenstaub, zerkleinerter
feuchter Brennstoff, zum Beispiel Klärschlamm, zu zerkleinernder
trockener Brennstoff mit relativ geringer Schlagzähigkeit,
zum Beispiel trockenes Laub, oder zu zerkleinernder feuchter Brennstoff
mit geringer Schlagzähigkeit,
zum Beispiel faule Tomaten, beigemischt. Je nach Mischungsverhältnis sinkt
die in der Arbeitsmaschine zu verrichtende Zerkleinerungsleistung,
eine konstante Durchsatzleistung und eine konstante mittlere Partikelgröße der zu
zerkleinernden Brennstoffe vorausgesetzt, und damit die Erwärmung der
Arbeitsmaschine. Durch eine Mischung von Brennstoffen unterschiedlicher
Schlagzähigkeit, Feuchtigkeit
und unterschiedlichem Zerkleinerungsgrad, kann die Temperatur der
Arbeitsmaschine im Inneren in einem Bereich von ca. 200°C bis 600°C gehalten
werden. Insbesondere feuchte Brennstoffe entziehen bei der Verdampfung
des in Ihnen enthaltenen Wassers der Arbeitsmaschine thermische
Energie, die Folge ist eine Kühlung
der Arbeitsmaschine und eine Trocknung der feuchten Brennstoffe.
Brennstoffe mit absolut entgegengesetzter thermischer Wirkung in
der Arbeitsmaschine, eine bestimmte und konstante Durchsatzleistung
und eine konstante mittlere Partikelgröße der Brennstoffe vorausgesetzt, sind
zu zerkleinernde trockene Brennstoffe mit relativ hoher Schlagzähigkeit,
zum Beispiel einige Kunststoffe, welche zu einer Erwärmung der
Arbeitsmaschine im Inneren über
200°C bis
600°C führen und zerkleinerte
feuchte Brennstoffe, zum Beispiel Klärschlämme, durch welche die Temperatur
der Arbeitsmaschine im Inneren schnell auf Werte unter 600°C bis 200°C gesenkt
werden kann.
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Die Arbeitsmaschine sollte Arbeitstemperaturen
im Inneren zwischen 200°C
und 600°C
aufweisen, da die Zündtemperaturen
vieler Brennstoffe in diesem Temperaturbereich liegen. Verläßt der Brennstoff
mit einer Temperatur zwischen 200°C
bis 600°C die
Arbeitsmaschine und wird in einen sauerstoffhaltigen Brennraum geschleudert,
so wird er sich in dieser sauerstoffhaltigen Umgebung mit größter Wahrscheinlichkeit
entzünden.
So können
Einheiten zur Zündung
des Brennstoffs, wie zum Beispiel Brenner, Zünd- oder Glühkerzen, entfallen. Die Arbeitsmaschine
ist unter bestimmten Bedingungen so konstruiert, daß der Brennstoff
mit einer bestimmten Geschwindigkeit, die über der Geschwindigkeit der
entstehenden Flammenfront, welche bei der Verbrennung der Brennstoffe
entsteht, liegt, in den Brennraum geschleudert wird.
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Um gegebenenfalls eine Zündung des Brennstoffes
in der Arbeitsmaschine zu verhindern, befindet sich in der Arbeitsmaschine,
das heißt
in dem Volumenbereich der Arbeitsmaschine, in dem sich auch der
Brennstoff befindet, auch ein reaktionsträges Gas. Bei einem solchen
Gas könnte
es sich zum Beispiel um Helium oder Kohlendioxid handeln. Es kann
sich in dem Volumenbereich der Arbeitsmaschine, in dem sich auch
der Brennstoff befindet, aber auch ein Vakuum befinden, wobei ein
eventuell vorhandenes Gasgemisch, über poröse Wände, die auch vom Brennstoff
kontaktiert werden, abgesogen wird. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß auch der bei
der Erwärmung
der feuchten Brennstoffe entstehende Wasserdampf über diese
porösen
Wände abgesogen
wird, wodurch die Wände
und damit die Arbeitsmaschine eine effektive Kühlung erfahren.
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Der Brennstoff besteht aus Partikeln
unterschiedlicher Größe, den
Brennstoffpartikeln. Unter der Menge aller Brennstoffpartikel sind
alle Brennstoffpartikel zu verstehen, die sich zu einem bestimmten
Zeitpunkt in der Arbeitsmaschine befinden.
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Kontaktiert der Brennstoff und damit
die Menge aller Brennstoffpartikel die porösen Wände, durch welche ein Gas entweichen
kann, kann ab einem bestimmten Druck in der Menge aller Brennstoffpartikel,
der Einsatz einer Vakuumpumpe überflüssig werden,
da durch den Druck, welcher in der Menge aller Brennstoffpartikel
herrscht, und die sich daraus ergebende Dichte der Menge aller Brennstoffpartikel, ein
Gas, welches sich im gleichen Volumenbereich befindet wie die Menge
aller Brennstoffpartikel, zum allergrößten Teil durch die porösen Wände gedrückt wird.
Das Gleiche gilt für
unter Umständen
entstehenden Wasserdampf durch die Trocknung feuchter Brennstoffe.
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Abgesogener oder entwichener Wasserdampf
kann zur weiteren Nutzung zum Beispiel einer Heizungsanlage oder
einer Kraftmaschine zugeführt werden.
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Wenn es notwendig ist, wird die Arbeitsmaschine
nicht nur mittels des aus den feuchten Brennstoffen entweichenden
Wasserdampfes und/oder mittels einer Verminderung der Zerkleinerungsleistung
gekühlt,
sondern zusätzlich
durch ein Fluid oder mehrere Fluide, welche nicht den Brennstoff
in der Arbeitsmaschine kontaktieren. Hierzu besitzt die Arbeitsmaschine
gegebenenfalls Kanäle,
in denen das Fluid oder die Fluide strömen.
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Die Arbeitsmaschine wird mit einer
Wand des Brennraumes verbunden, so daß der Antrieb und der Brennstoffeinwurf
der Arbeitsmaschine außerhalb
des Brennraumes angeordnet sind, der Brennstoff jedoch, nachdem
er die Arbeitmaschine passiert hat, in den Brennraum geschleudert
wird.
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Die Arbeitmaschine besteht im einfachsten Fall
aus einem Stator, der sich gegenüber
der Wand des Brennraums nicht bewegt, und mindestens einem Rotor,
der durch eine Kraftmaschine, wie ein Elektromotor, angetrieben
wird. Stator und Rotor sind so gestaltet, daß die Brennstoffe, die sich
zwischen Stator und Rotor befinden, je nach verwendetem Brennstoff
zerkleinert werden und sich im Mittel gleichzeitig in Richtung des
Brennraums bewegen oder nicht zerkleinert werden und sich im Mittel
in Richtung des Brennraums bewegen. Die Geschwindigkeit mit welcher
der Brennstoff in den Brennraum geschleudert wird, hängt in den
meisten Fällen
von der Drehzahl des Rotors oder der Rotoren ab.
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Es ist zweckmäßig den Stator und/oder den Rotor
aus einem porösen
Material herzustellen, durch welches sich in der Arbeitsmaschine
befindende Gase, die eine Verbrennung des Brennstoffes, welcher
sich in der Arbeitsmaschine befindet, einleiten könnten, abgesaugt
oder gedrückt
werden. Gleichzeitig wird der Wasserdampf, der bei der Trocknung
der feuchten Brennstoffe entsteht, durch den Stator und/oder Rotor
gesogen oder gedrückt, wodurch
diese effektiv gekühlt
werden.
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Es kann zweckmäßig sein den Brennstoff, der
durch die Arbeitsmaschine in den Brennraum geschleudert wird, in
seiner Bewegung durch einen Luftstrom derart zu ändern, daß die entstehende Flamenfront
nicht zu nahe an die Arbeitsmaschine gelangt. Durch eine Änderung
in der Stärke
des Luftstroms können
andere Faktoren, die einen Einfluß auf die Geschwindigkeit haben,
mit welcher der Brennstoff in den Brennraum geschleudert wird, kompensiert
werden.
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Die Arbeitsmaschine wird sowohl mechanisch
als auch thermisch hoch belastet. Um möglichst hohe Betriebsdauern
zu erzielen, werden zum Bau der Arbeitsmaschine verschleißfeste und
Temperaturbeständige
Werkstoffe, wie zum Beispiel Keramiken, verwendet. Wobei gerade
Keramiken den Vorteil bieten auch porös sein zu können, was zum Beispiel eine
Absaugung von Gasen und Wasserdampf aus dem Inneren der Arbeitsmaschine
erleichtert.
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Es ist zweckmäßig die unterschiedlichen Brennstoffe,
wie die zu zerkleinernden trockenen Brennstoffe mit relativ hoher
Schlagzähigkeit,
die zu zerkleinernden feuchten Brennstoffe mit relativ hoher Schlagzähigkeit,
die zu zerkleinernden trockenen Brennstoffe mit relativ geringer
Schlagzähigkeit,
die zu zerkleinernden feuchten Brennstoffe mit relativ geringer
Schlagzähigkeit,
die zerkleinerten trockenen Brennstoffe und die zerkleinerten feuchten
Brennstoffe, in unterschiedlichen Lagerbehältern unterzubringen. Von diesen
Lagerbehältern
ausgehend werden die unterschiedlichen Brennstoffe im jeweiligen Mengenverhältnis entweder
direkt der Arbeitsmaschine aufgegeben, eine Mischung der unterschiedlichen
Brennstoffe findet also in der Arbeitsmaschine statt, oder die Brennstoffe
werden im jeweiligen Mengenverhältnis
einem Mischer zugeführt,
in diesem miteinander vermischt, und dann der Arbeitsmaschine zugeführt.
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Um die Arbeitsmaschine sicher und
problemlos betreiben zu können,
werden technische Daten, wie Rotordrehzahl, Durchsatzleistung, Betriebstemperatur,
Mischungsverhältnis
der Brennstoffe und gegebenenfalls die physikalischen Eigenschaften
der Brennstoffe, ständig
einer elektronischen Regelvorrichtung zugeführt. Ändern sich die Betriebsbedingungen
der Arbeitsmaschine, wird das Mischungsverhältnis der Brennstoffe automatisch
angepaßt, wobei
bei bestimmter und konstanter Durchsatzleistung sowie konstanter
mittlerer Partikelgröße der Brennstoffe
im Prinzip die zu zerkleinernden Brennstoffe hoher Schlagzähigkeit
zur Erhöhung
der Temperatur der Arbeitsmaschine und die zerkleinerten Brennstoffe
sowie die zu zerkleinernden Brennstoffe mit relativ geringer Schlagzähigkeit
zur Senkung der Temperatur der Arbeitsmaschine dienen. Im Notfall kann
die Temperatur der Arbeitsmaschine drastisch gesenkt werden, in
dem die Drehzahl und damit die Zerkleinerungsleistung der Arbeitsmaschine
gesenkt wird. Hier ist jedoch darauf zu achten, daß die Geschwindigkeit
mit welcher der Brennstoff die Arbeitsmaschine verläßt eine
bestimmte Geschwindigkeit nicht unterschreitet, um so zu verhindern,
daß die Flammenfront
in unmittelbare Nähe
der Arbeitsmaschine gelangt.
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Bei der Trocknung der feuchten Brennstoffe innerhalb
der Arbeitsmaschine verändert
sich deren Volumen aufgrund des Wasserverlustes. Es kann zweckmäßig sein,
Stator und/oder Rotor so zu gestalten, daß die Volumenänderung
der feuchten Brennstoffe, im Bezug auf eine damit eventuell verbundene
Druckänderung
in der Menge aller Brennstoffpartikel, zumindest näherungsweise
berücksichtigt
wird.
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Die Zerkleinerung der Brennstoffe
in der Arbeitsmaschine findet dadurch statt, daß der zu zerkleinernde Brennstoff,
der Brennstoffpartikel unterschiedlicher Größe aufweist, zwischen Stator
und Rotor der Arbeitsmaschine, die einen gewissen Abstand voneinander
haben, gedrückt
wird, wobei durch die Relativbewegung zwischen Stator und Rotor
auf die Brennstoffpartikel, die sich zwischen Stator und Rotor befinden,
Kräfte übertragen
werden, die im Mittel zu deren Zerteilung und damit zu deren Zerkleinerung
führen.
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Durch eine entsprechende Rauhigkeit
oder spezielle Gestaltung der Oberflächen sowohl von Stator als
auch Rotor, können
die Kräfte,
welche auf die Brennstoffpartikel wirken und deren Zerkleinerung
verursachen, erhöht
werden.
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Die Kraft mit der die Brennstoffpartikel
in Richtung Stator und Rotor bewegt werden, führt zu einem Druck in der Menge
aller Brennstoffpartikel, was im Mittel zu einer starken Relativbewegung
der Brennstoffpartikel bezüglich
Stator und Rotor und der Brennstoffpartikel untereinander führt. Die
Kräfte
auf die Brennstoffpartikel aufgrund einer Relativbewegung bezüglich Stator
und Rotor können
zur Zerkleinerung der Brennstoffpartikel führen, wobei die Wahrscheinlichkeit
der Teilung eines Brennstoffpartikels mit dessen Größe und dem
Druck in der Menge aller Brennstoffpartikel zunimmt.
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Da Stator und Rotor einen gewissen
Abstand voneinander haben, befindet sich zwischen Stator und Rotor
ein Spalt. Die Kräfte,
die für
eine Bewegung der Brennstoffe in Richtung des Spaltes zwischen Stator
und Rotor und innerhalb des Spaltes zwischen Stator und Rotor verantwortlich
sind, können
zum Beispiel Gravitationskräfte,
Zentrifugalkräfte und/oder
Druckkräfte
sein. So können
zum Beispiel Stator und Rotor so ausgeführt sein, daß bei einer Rotation
des Rotors die Brennstoffe zwangsweise in Richtung des Spaltes zwischen
Stator und Rotor und zwangsweise durch den Spalt zwischen Stator
und Rotor gedrückt
werden.
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Da die Arbeitsmaschine auch zur Trocknung von
feuchten Brennstoffen eingesetzt werden soll, wobei mit dem Wasserverlust
eine Volumenänderung verbunden
ist, kann es ratsam sein, das Volumen des Spaltes zwischen Stator
und Rotor pro Längeneinheit zu ändern, wodurch
der Druck in der Menge aller Brennstoffpartikel zumindest näherungsweise
konstant gehalten werden kann.
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Ist ein häufiger Wechsel zwischen trockenen und
feuchten Brennstoffen geplant, ist es zweckmäßig das Volumen des Spaltes
zwischen Stator und Rotor pro Längeneinheit
mittels einer mechanischen Vorrichtung leicht ändern so können, um so den Druck in der
Menge aller Brennstoffpartikel leicht regulieren zu können. Eine
einfache Lösung
ist bei axial angeordnetem Stator und Rotor zum Beispiel die axiale
Verschiebung von Stator oder/und Rotor.
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Bei einer ersten bevorzugten Variante,
bestehen sowohl Stator als auch Rotor aus einer porösen verschleißfesten
Keramik. Gase und Wasserdampf, die sich im gleichen Volumenbereich
der Arbeitsmaschine befinden wie der Brennstoff, werden mittels
eines Vakuums durch den porösen
Stator und Rotor gesogen, wodurch diese gekühlt werden. Der Rotor ist schneckenförmig ausgeführt, sein
Durchmesser ändert
sich bezüglich
konstanter axialer Längenabschnitte
unproportional degressiv, wobei sich der Durchmesser bezüglich konstanter
axialer Längenabschnitte
zum Auslauf hin am geringsten ändert.
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Der minimale Abstand des äußeren Durchmessers
des Rotors zum Stator beträgt
ca. 0,1 mm. Womit sich auch der Durchmesser der dem Rotor zugewandten
Wand des Stators bezüglich
konstanter axialer, Längenabschnitte
unproportional degressiv ändert.
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Die Steigung des schneckenförmigen Rotors bleibt über seine
gesamte Länge
konstant.
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Der Rotor besitzt einen unproportional
degressiven Verlauf, um so der Volumenänderung und Viskosität feuchter
Brennstoffe gerecht zu werden. Im Aufgabebereich des Brennstoffs,
besitzt der Rotor seinen größten Durchmesser
und damit seine größte Umfangsgeschwindigkeit.
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Da feuchte Brennstoffe zum Zeitpunkt
ihrer Aufgabe ihre geringste Viskosität aufweisen, ist zum Aufbau
eines bestimmten Druckes eine entsprechende Umfangsgeschwindigkeit
des Rotors notwendig. Aus diesem Grund besitzt der schneckenförmige Rotor
im Aufgabebereich des Brennstoffs seinen größten Durchmesser. Mit bezüglich des
Rotors fortschreitendem axialen Weg eines feuchten Brennstoffes
innerhalb der Arbeitsmaschine, wird dieser aufgrund des in der Menge
aller Brennstoffpartikel herrschenden Drucks und aufgrund der Temperatur
im Inneren der Arbeitsmaschine entwässert, wobei das extrahierte
Wasser oder der entstehende Wasserdampf über den porös ausgeführten Stator und Rotor entweicht.
Mit fortschreitender Entwässerung
der feuchten Brennstoffe erhöht
sich auch deren Viskosität.
Da mit der größten Entwässerung
und damit mit dem größten Anstieg
der Viskosität
der feuchten Brennstoffe im Bereich der Aufgabebereich des Brennstoffe
zu rechnen ist, ändert
sich in diesem Bereich der Durchmesser des Rotors bezüglich konstanter
axialer Längenabschnitte
am schnellsten, um so die größte Volumenänderung
des feuchten Brennstoffes aufgrund der Entwässerung zu kompensieren und
um durch den hieraus resultierenden schnellen Viskositätsanstieg
der feuchten Brennstoffe nicht einen übermäßigen Druckanstieg, aufgrund
zu hoher Umfangsgeschwindigkeiten des Rotors, zu verursachen.
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Mit bezüglich des Rotors weiter fortschreitendem
axialen Weg eines feuchten Brennstoffes sinkt die aus dem feuchten
Brennstoff entweichende Wassermenge pro Zeiteinheit, womit auch
die Viskosität
des Brennstoffes immer langsamer sinkt. Dies wird durch immer geringer
werdende Änderungen des
Rotordurchmessers bezüglich
konstanter axialer Längenabschnitte
berücksichtigt.
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Ist der feuchte Brennstoff getrocknet, ändern sich
mit weiter fortschreitendem axialen Weg bezüglich des Rotors sein Volumen
und seine Viskosität nicht
mehr. Aus diesem Grund ändert
sich auch der Rotordurchmesser bezüglich konstanter axialer Längenabschnitte
ab einem bestimmten Punkt nicht mehr, daß heißt der Rotor ist im Bereich
des Auslaufs zylindrisch ausgeführt.
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In bestimmten Fällen kann es ratsam sein auch
die Steigung des schneckenförmigen
Rotors bezüglich
konstanter axialer Längenabschnitte
zu ändern,
wodurch das Verhältnis
von Druck und Umfangsgeschwindigkeit in einem bestimmten Rotorbereich
zusätzlich
variiert werden kann.
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Da bei dem Betrieb der Arbeitsmaschine nicht
von einer Verarbeitung von Brennstoffen gleichbleibender Qualität ausgegangen
werden kann, kann die geometrische Gestaltung des Rotors nur näherungsweise
erfolgen.
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Wird die Arbeitsmaschine mit einem
zu zerkleinernden trockenen Brennstoff hoher Schlagzähigkeit
beaufschlagt, welcher sein Volumen nicht ändert, wäre bei obiger Rotorgestaltung
die Folge ein übermäßiger Druckanstieg,
der zur Zerstörung
der Arbeitsmaschine führen
könnte.
Aus diesem Grund kann der Rotor außerdem in axialer Richtung
verschoben werden. Durch eine axiale Verschiebung des Rotors ändert sich
der Spalt zwischen Stator und Rotor in dem Bereich des Rotors in
dem sich der Durchmesser degressiv ändert. Hierdurch wird der Druck
in der Menge aller Brennstoffpartikel gesenkt, und es wird ein Rückfluß der Brennstoffpartikel
in Richtung der Brennstoffaufgabe ermöglicht. Diese Maßnahme führt zu einer
effektiven Zerkleinerung von Brennstoffen und zu einer starken Erwärmung der
Arbeitsmaschine, was gewünscht
ist. Die Temperatur der Arbeitsmaschine wird an mindestens einer Stelle
gemessen.
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Das Volumen und die Oberfläche der
Arbeitsmaschine sind derartig ausgelegt, daß sich bei gewünschter
Zerkleinerungsleistung, die Temperatur der Arbeitsmaschine bei der
Beaufschlagung mit Brennstoffen hoher Schlagzähigkeit schnell auf Werte von
200°C bis
600°C erhitzt
und bei der Beaufschlagung mit zerkleinerten Brennstoffen oder mit Brennstoffen
geringer Schlagzähigkeit,
die eine bestimmte Feuchtigkeit besitzen, schnell auf Werte unter
600°C bis
200°C sinkt.
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Die Arbeitsmaschine ist zusätzlich mit
entsprechenden Kanälen
ausgerüstet,
in denen ein Fluid strömt,
welches die Arbeitsmaschine bei Bedarf kühlt.
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Die axiale Verschiebung des Rotors
erfolgt über
Linerantriebe mit Wegmeßsystem.
Wobei es zweckmäßig ist,
wenn die Linearantriebe eine bestimmte Kraft auf den Rotor ausüben. Übt der Rotor eine
größere Gegenkraft
auf die Linearantriebe aus, ändern
diese ihre Position derart, daß sich
der Spalt zwischen Stator und Rotor in dem Bereich des Rotors, in
dem sich der Durchmesser degressiv ändert, vergrößert, wodurch
sich die auf die Lineareinheiten wirkende Kraft verringert. Bei
einer Bestimmten Position des Rotors befinden sich die auf den Rotor
wirkende Kraft der Linearantriebe und die Kraft des Rotors auf die
Linearantriebe im Gleichgewicht. Die Endpositionen des Rotors sind
durch mechanische Anschläge
begrenzt.
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Eine weitere Möglichkeit den Druck in der Menge
aller Brennstoffpartikel zu variieren besteht in einer gezielten
mengenmäßigen Brennstoffaufgabe pro
Zeiteinheit, die wiederum von der Durchsatzleistung der Arbeitsmaschine
abhängt.
Hierzu besitzt die Arbeitsmaschine gegebenenfalls eine Zuteileinheit, zum
Beispiel in Form eines Schneckensystems mit sich ändernder
Drehzahl.
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Die Zuteileinheit ist im günstigsten
Fall so gestaltet, daß sie
zugleich die unterschiedlichen Brennstoffe, mit der die Arbeitsmaschine
beaufschlagt werden, in der Zuteileinheit miteinander vermischt
werden.
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Die unterschiedlichen Brennstoffe
mit der die Arbeitsmaschine beaufschlagt werden befinden sich in
unterschiedlichen Lagerbehältern
und werden der Arbeitsmaschine in bestimmten Mengenverhältnissen
zugeführt.
Hierzu sind die Lagerbehälter
mit entsprechenden Dosiereinheiten versehen. Die Mengen unterschiedlicher
Brennstoffe, die der Zuteileinheit zugeführt werden, werden gemessen
und der elektronischen Regeleinheit der Arbeitsmaschine zugeführt.
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Weiterhin werden an der Arbeitsmaschine deren
Temperatur, deren Rotordrehzahl, die Position der Lineareinheiten,
die Kraft, welche die Lineareinheiten ausüben und die Drehzahl der Zuteileinheit gemessen.
Die Meßdaten
werden der elektronischen Regeleinheit der Arbeitsmaschine zugeführt, welche daraufhin
das Mengenverhältnis
der unterschiedlichen Brennstoffe, die Drehzahl der Zuteileinheit,
die Position der Lineareinheiten, die Kraft, welche die Lineareinheiten
ausüben
und die Rotordrehzahl anpaßt.
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Zur Änderung der Geschwindigkeit
der in den Brennraum geschleuderten Brennstoffpartikel befindet
sich am Auslauf der Arbeitsmaschine eine Luftdüse mit deren Hilfe die Geschwindigkeit
der Brennstoffpartikel durch einen Luftstrom beeinflußt werden
kann, um zu verhindern, daß die
Flammenfront zu Nahe an die Arbeitsmaschine kommt.
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Systemskizze 1 zeigt die
Arbeitsmaschine zur Zerkleinerung von Brennstoffen, zur Trocknung von
Brennstoffen und zur Zuführung
von Brennstoffen in Brennräume
mit peripheren Vorrichtungen, Maschinen und Lagerbehältern.
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Die unterschiedlichen Brennstoffe
mit denen die Arbeitsmaschine 1 beaufschlagt werden soll,
befinden sich in den Lagerbehältern 2, 3, 4, 5, 6, 7.
Die Lagerbehälter 2, 3, 4, 5, 6, 7 sind
jeweils mit einer Dosiereinheit 2a, 3a, 4a, 5a, 6a, 7a verbunden.
Mit Hilfe der Dosiereinheiten 2a, 3a, 4a, 5a, 6a, 7a werden
der Zuteileinheit 8 der Arbeitsmaschine 1 Brennstoffe
in einem bestimmten Mengenverhältnis
zugeführt.
Die Zuteileinheit 8 ist so ausgeführt, daß sie die ihr zugeführten Brennstoffe
miteinander mischt.
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An den Dosiereinheiten 2a, 3a, 4a, 5a, 6a, 7a befinden
sich Meßvorrichtungen,
welche die Mengen unterschiedlicher Brennstoffe, die der Zuteileinheit 8 zugeführt werden,
messen und einer elektronischen Regeleinheit 9 zuführen, welche
bei Bedarf wiederum das Mengenverhältnis der unterschiedlichen Brennstoffe ändert.
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Weiterhin werden an der Arbeitsmaschine 1 deren
Temperatur, deren Rotordrehzahl, die Position der Lineareinheiten 10, 11 die
Kraft, welche die Lineareinheiten ausüben, die Drehzahl der Zuteileinheit 8 und
die Menge sowie Geschwindigkeit des Luftstroms in der Luftdüse gemessen.
Die Meßdaten werden
der elektronischen Regeleinheit 9 der Arbeitsmaschine zugeführt, welche
daraufhin die Drehzahl der Zuteileinheit, die Position der Lineareinheiten,
die Kraft, welche die Lineareinheiten ausüben, die Rotordrehzahl und
die Menge sowie Geschwindigkeit des Luftstroms in der Luftdüse anpaßt.
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Systemskizze 2 zeigt die
Arbeitsmaschine zur Zerkleinerung von Brennstoffen, zur Trocknung von
Brennstoffen und zur Zuführung
von Brennstoffen in Brennräume
mit peripheren Vorrichtungen.
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Der der Zuteileinheit 8 zugeführte Brennstoff wird
mittels eines Schneckensystems 12 der Arbeitsmaschine 1 aufgegeben.
Die Durchsatzleistung der Zuteileinheit 8 wird durch die
Drehzahl von dessen Schneckensystem 12 bestimmt, die durch eine
elektronische Regelvorrichtung festgelegt wird. Die Zuteileinheit 8 ist
so gestaltet, daß unterschiedliche
Brennstoffe in ihr vermischt werden.
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Der schneckenförmige Rotor 13 der
Arbeitsmaschine 1 ist im Aufgabebereich des Brennstoffes 14 zylindrisch
ausgeführt.
Mit weiter fortschreitendem axialen Weg bezüglich des Rotors 13 in
Richtung des Auslaufes 15, ändert sich der Durchmesser des
Rotors 13 bezüglich
konstanter axialer Längenabschnitte
unproportional degressiv. Die größte Änderung
des Rotordurchmessers bezüglich
konstanter axialer Längenabschnitte
findet in Richtung des Aufgabebereichs des Brennstoffes 14 statt,
die geringste Änderung
des Rotordurchmessers bezüglich
konstanter axialer Längenabschnitte
findet in Richtung des Auslaufs 15 statt, wobei der Rotor
im Bereich des Auslaufs zylinderförmig ausgeführt ist.
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Der Stator 16 und der Rotor 13 bestehen
aus einer porösen
Keramik, um eventuelle Gase, die sich im gleichen Volumenbereich
der Arbeitsmaschine wie der Brennstoff befinden, durch diese Mittels
eines Vakuums absaugen zu können.
Hierzu ist der Rotor 13 hohl ausgeführt. Im Bereich der Getriebelaterne 17 besitzt
der hohle Rotor eine radiale Bohrung 25 durch welche Gase
und Wasserdampf abgesogen werden, wobei im Inneren der Getriebelaterne 17 ein Vakuum
herrscht. Zum Anschluß entsprechender Rohre,
ist die Getriebelaterne 17 mit Gewindelöchern 18a, 18b versehen.
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Eine axiale Verschiebung des Rotors 13 wird durch
die Lineareinheiten 10, 11 ermöglicht, die mit Wegmeßsystemen 10a, 11a versehen
sind. Bei einer axialen Verschiebung der Lineareinheiten 10, 11 verschieben
sich der Antrieb 24 des Rotors 13, der Dicht-,
Kühl- und Lagertopf 19 und
der Rotor 13.
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Der Außenmantel des Stators 16 besitzt
einen Flansch 20 mit dem der Stator an der Wand des Brennraums 21 befestigt
wird. Zu Änderung
der Geschwindigkeiten der Brennstoffpartikel, die in den Brennraum
geschleudert werden, ist am Auslauf 15 eine Luftdüse 22 angeordnet,
durch welche ein Luftstrom mit änderbarer
Menge und Geschwindigkeit auf die Brennstoffpartikel gerichtet wird.
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Die Temperatur der Arbeitsmaschine 1 wird mittels
eines elektronischen Temperaturfühlers 23 gemessen.
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Systemskizze 3 zeigt die
Arbeitsmaschine zur Zerkleinerung von Brennstoffen, zur Trocknung von
Brennstoffen und zur Zuführung
von Brennstoffen in Brennräume
mit peripheren Vorrichtungen.
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Zwischen Stator 16 und Rotor 13 befindet sich
ein Spalt von minimal ca. 0,1 mm. Bei einer axialen Verschiebung
des Rotors 13 vom Auslauf weg, ändert
sich der Spalt zwischen Stator 16 und Rotor 13 in
dem Bereich, in dem der Durchmesser des Rotors nicht zylindrisch
ist. Hierdurch wird es trockenen Brennstoffen ermöglicht leichter
in den Aufgabebereich des Brennstoffes zurückzufließen.
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Der Stator 16 besteht aus
einer porösen
Keramik. Gase und Wasserdampf, die sich im gleichen Volumenbereich
der Arbeitsmaschine 1 befinden wie der Brennstoff, werden
durch die poröse
Keramik abgesogen. Hierzu ist der Metallische Außenmantel 26 des Stators 16 mit
Löchern
versehen und doppelwandig ausgeführt.
Zum Anschluß entsprechender
Rohre, in denen ein Vakuum herrscht, besitzt der Außenmantel 26 entsprechende
Gewindebohrungen 26a, 26b. Zur Kompensation des
unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Stator 16 und
dessen Außenmantel 26,
wird der Stator 16 mittels eines elastischen Ringes 27 in
den konischen Außenmantel 26 gedrückt, wobei
der Winkel des konischen Außenmantels 26 auf
den Reibungskoeffizienten bezüglich Außenmantel 26 und
Stator 16 abgestimmt ist.
-
Zur zusätzlichen Kühlung der Arbeitsmaschine 1 durch
ein Fluid, ist diese mit Kanälen 28a, 28b versehen,
in denen das Fluid bei Bedarf strömt.
-
- 1
- Arbeitsmaschine
- 2
- Lagerbehälter
- 3
- Lagerbehälter
- 4
- Lagerbehälter
- 5
- Lagerbehälter
- 6
- Lagerbehälter
- 7
- Lagerbehälter
- 2a
- Dosiereinheit
- 3a
- Dosiereinheit
- 4a
- Dosiereinheit
- 5a
- Dosiereinheit
- 6a
- Dosiereinheit
- 7a
- Dosiereinheit
- 8
- Zuteileinheit
- 9
- Elektronische
Regelvorrichtung
- 10
- Linearantrieb
- 11
- Linearantrieb
- 12
- Schneckensystem
- 13
- Rotor
- 14
- Aufgabebereich
des Brennstoffs
- 15
- Auslauf
- 16
- Stator
- 17
- Getriebelaterne
- 18a
- Gewindebohrung
- 18b
- Gewindebohrung
- 19
- Dicht-,
Kühl- und
Lagertopf
- 20
- Flansch
- 21
- Wand
des Brennraums
- 22
- Luftdüse
- 23
- Elektronischer
Temperaturfühler
- 24
- Antrieb
- 25
- Radiale
Bohrung
- 26a
- Gewindebohrung
- 26b
- Gewindebohrung
- 27
- Elastischer
Ring
- 28a
- Kanal
- 28b
- Kanal