DE202021100874U1

DE202021100874U1 - Wälzkolbengebläse zur Entspannung eines dampfförmigen Mediums bei hohem Druck und guter Dichtigkeit

Info

Publication number: DE202021100874U1
Application number: DE202021100874.1U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-02-23
Filing date: 2021-02-23
Publication date: 2022-05-30
Anticipated expiration: 2031-02-24
Also published as: EP4047180A1

Abstract

Wälzkolbengebläse zur Entspannung eines dampfförmigen Mediums, mit
einem Gehäuse (12) zur Begrenzung eines Arbeitsraums (22),
einer mit einem ersten Wälzkolben (16) verbindbaren ersten Kolbenwelle (14), wobei die erste Kolbenwelle (14) durch das Gehäuse (12) von dem Arbeitsraum (22) in einen ersten Außenraum (28) hinein hindurchgeführt ist, und
einer mit einem zweiten Wälzkolben (20) verbindbaren zweiten Kolbenwelle (18), wobei die zweite Kolbenwelle (18) durch das Gehäuse (12) von dem Arbeitsraum (22) in einen zweiten Außenraum (30) hinein hindurchgeführt ist,
wobei die erste Kolbenwelle (14) und die zweite Kolbenwelle (18) über jeweils mindestens ein Lager in dem Gehäuse (12) gelagert sind,
wobei das Lager über jeweils eine Niederdruck-Dichteinrichtung (26) gegenüber dem Arbeitsraum (22) und dem jeweiligen Außenraum (28, 30) abgedichtet ist, und wobei der erste Außenraum (28) und/oder der zweite Außenraum (30) mit einer separaten externen Druckquelle (48) zur Beaufschlagung des ersten Außenraums (28) und/oder des zweiten Außenraums (30) mit dem Druck des Arbeitsraums (22) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein eigentlich aus der Vakuumtechnik stammendes Wälzkolbengebläse, mit dessen Hilfe ein dampfförmiges Medium bei einem hohen Druck und guter Dichtigkeit entspannt werden kann.
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.
Aus DE 37 10 465 C2 ist ein Roots-Gebläse zum Aufladen eines Kraftfahrzeugmotors bekannt, dessen aus einem Arbeitsraum in einen Außenraum durch ein Gehäuse hindurchgeführten Kolbenwellen über selbstschmierende Kugellager in einem Gehäuse gelagert sind, wobei die Kugellager über Lippendichtungen abgedichtet sind. Mit Hilfe eines das Kugellager und die Lippendichtungen umgehenden Umgehungskanals ist der Arbeitsraum mit dem Außenraum fluidisch verbunden, so dass im Arbeitsraum und im Außenraum im Wesentlichen der gleiche Druck anliegt.
Das eigentlich aus der Vakuumtechnik stammende Wälzkolbengebläse ist nur für geringe Drucke ausgelegt, so dass das Wälzkolbengebläse in einer Verwendung als Entspannungseinrichtung nur in einem niedrigen Druckbereich eingesetzt werden kann, wodurch der Einsatzbereich des Wälzkolbengebläses eingeschränkt ist. Da bei der Verwendung des Wälzkolbengebläse als Vakuumpumpt in der Vakuumtechnik allenfalls Druckdifferenzen von ca. 1 bar auftreten würde der Einsatz des Wälzkolbengebläses in höheren Druckbereichen zu einer mangelnden Dichtigkeit und/oder sehr hohem Verscheiß von Dichteinrichtungen führen.
Es besteht ein Bedürfnis ein Wälzkolbengebläse auch in hohen Druckbereichen einsetzen zu können.
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein für einen in hohen Druckbereich einsetzbares Wälzkolbengebläse ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Wälzkolbengebläse mit den Merkmalen des Anspruchs 1. 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.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Wälzkolbengebläse zur Entspannung eines dampfförmigen Mediums, mit einem Gehäuse zur Begrenzung eines Arbeitsraums, einer mit einem ersten Wälzkolben verbindbaren ersten Kolbenwelle, wobei die erste Kolbenwelle durch das Gehäuse von dem Arbeitsraum in einen ersten Außenraum hinein hindurchgeführt ist, und einer mit einem zweiten Wälzkolben verbindbaren zweiten Kolbenwelle, wobei die zweite Kolbenwelle durch das Gehäuse von dem Arbeitsraum in einen zweiten Außenraum hinein hindurchgeführt ist, wobei die erste Kolbenwelle und die zweite Kolbenwelle über jeweils mindestens ein Lager in dem Gehäuse gelagert sind, wobei das Lager über jeweils eine Niederdruck-Dichteinrichtung gegenüber dem Arbeitsraum und dem jeweiligen Außenraum abgedichtet ist, und wobei der erste Außenraum und/oder der zweite Außenraum mit einer separaten externen Druckquelle zur Beaufschlagung des ersten Außenraums und/oder des zweiten Außenraums mit de, insbesondere statischen, Druck des, insbesondere eingangsseitigen, Arbeitsraums verbunden ist.
Mit Hilfe der externen Druckquelle ist es möglich in dem jeweiligen Außenraum den im Wesentlichen selben Druck wie der statische Druck oder Gesamtdruck in dem Arbeitsraum einzustellen. Dadurch kann die im Bereich der Wellendurchführung der jeweiligen Kolbenwelle durch eine Gehäusewand des Gehäuses vorgesehene Dichteinrichtung als Niederdruck-Dichteinrichtung ausgestaltet werden. Da vom Arbeitsraum her der im Wesentlichen selbe Druck gegen die Niederdruck-Dichteinrichtung wie vom Außenraum her drückt, braucht die Niederdruck-Dichteinrichtung nur für einen sehr geringen Differenzdruck ausgelegt zu sein. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass es für die Dichtwirkung weniger auf den angreifenden statischen Absolutdruck, sondern auf die angreifende Druckdifferenz ankommt. Da die an der Wellendurchführung der jeweiligen Kolbenwelle angreifende Druckdifferenz annährend Null beträgt kann eine für einen besonders geringen Druck ausgelegte Niederdruck-Dichteinrichtung vorgesehen sein, die beispielsweise als berührungslose Labyrinthdichtung oder als berührende ringförmige Dichtlippe, insbesondere Radialwellendichtring, mit einem im Vergleich zu einer für höhere Druckdifferenzen ausgelegten Dichteinrichtung geringeren Anpressdruck ausgestaltet sein. Der Anpressdruck der berührenden Niederdruck-Dichteinrichtung kann geringfügig über Null betragen, so dass ein Verschleiß der Niederdruck-Dichteinrichtung minimiert werden kann. Durch den mit Hilfe der Druckquelle bereitgestellten Druck in dem jeweiligen Außenraum kann auch ein eigentlich für Anwendungen in der Vakuumtechnik dimensioniertes Wälzkolbengebläse in hohen Druckbereichen, insbesondere als Entspannungseinrichtung, eingesetzt werden. Durch die Medientrennung der an beiden Axialseiten der Niederdruck-Dichteinrichtung angreifenden im Wesentlichen gleich großen Drucke kann das Wälzkolbengebläse in hohen Druckbereichen mit einer guten Dichtwirkung eingesetzt werden.
Eine fluidische Verbindung zwischen dem Arbeitsraum und dem Außenraum, die einen Massenaustausch ermöglicht, ist jedoch vermieden. Der Druck in dem Außenraum wird nicht durch das im Arbeitsraum des Wälzkolbengebläses, sondern durch die separate Druckquelle bereitgestellt. Bei der separaten externen Druckquelle kann es sich insbesondere um ein technisches Gas und/oder komprimierte Luft handeln, so dass das von der Druckquelle bereitgestellte Gas bestimmten Sauberkeitsstandards genügen kann. Dadurch kann vermieden werden, dass sich in dem Außenraum Verunreinigungen und/oder aus der Gasphase niedergeschlagene Stoffe ansammeln und aufkonzentrieren können. Insbesondere wenn das Wälzkolbengebläse als Entspannungseinrichtung eingesetzt werden soll, kann nicht immer eine ausreichende Sauberkeit des zugeführten dampfförmigen Mediums garantiert werden. Wenn das zu entspannende Medium als Wasserdampf zugeführt wird, ist es grundsätzlich möglich, dass flüssiges Wasser auskondensieren würde, dass sich bei einem Massenaustausch mit dem Inneren des Außenraums im Außenraum ablagern zu Korrosionseffekten führen könnte. Zudem kann das dem Wälzkolbengebläse zugeführte dampfförmigen Medium ein Abgas sein, in dem feste und/oder flüssige Verbrennungsnebenprodukte ausfallen können. Durch die Medientrennung von dampfförmigen Medium ausschließlich in dem Arbeitsraum des Wälzkolbengebläses einerseits und Gas aus der separaten externen Druckquelle ausschließlich im Außenraum des Wälzkolbengebläses andererseits kann eine Korrosion und/oder eine Verunreinigung im Außenraum, welche die Dichtwirkung des Außenraums beeinträchtigen könnte, vermieden werden, so dass die Dichtigkeit des Wälzkolbengebläses in hohen Druckbereichen und auch bei verunreinigten dampfförmigen Medien erhalten bleibt.
Der jeweilige Außenraum kann an der vom Arbeitsraum wegweisenden Axialseite gegen die Umgebung angedichtet werden. Da in dem Außenraum von der separaten externen Druckquelle jedoch ein sauberes und/oder gereinigtes Gas eingeleitet werde kann, können die Dichtheitsanforderungen gesenkt werden und/oder eine Leckage in einem stärkeren Ausmaß zugelassen werden. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die Kolbenwellen in der Regel an beiden Axialenden in dem Gehäuse gelagert werden, so dass sich bei den zwei Kolbenwellen insgesamt vier abzudichtende Wellendurchführungen ergeben, während es im Prinzip ausreicht, wenn nur ein Wellende, insbesondere der zweiten Kolbenwelle, auch aus dem Außenraum nach außengeführt wird, um die bei der Entspannung des dampfförmigen Mediums entzogene mechanische Energie auszuleiten. Statt vier Hochdruck-Dichteinrichtungen, ist es möglich, dass nur eine Hochdruck-Dichteinrichtung in dem Wälzkolbengebläse vorgesehen sein braucht. Besonders bevorzugt kann eine Abdichtung des jeweiligen Außenraums im Bereich der, insbesondere einzigen, Wellendurchführung durch einen den jeweiligen Außenraum begrenzenden Außendeckel mit Hilfe einer schmierenden Hochdruck-Dichtung bereitgestellt werden. Das Schmiermittel und/oder ein Kühlmittel kann von außerhalb des Wälzkolbengebläses leicht zugeführt und abgeführt werden. Der Außendeckel kann hierzu geeignete Kanäle aufweisen, über die das Schmiermittel und/oder das Kühlmittel zugeführt beziehungsweise abgeführt werden kann. Da der Außendeckel im Vergleich zu dem Gehäuse des Wälzkolbengebläses ein kleineres Bauteil ist, können die die Kanäle leichter und kostengünstiger durch spanende Verfahren in das Material des Außendeckels eingebracht werden. Die Herstellung und die Wartung des Wälzkolbengebläses ist dadurch vereinfacht und kostengünstiger.
Der Außendeckel kann insbesondere über eine ringförmige Ringdichtung mit eine hohen Dichtwirkung gegenüber dem Gehäuse des Wälzkolbengebläses abgedichtet sein. Hierzu kann es bereits ausreichend sein eine gummielastische Ringdichtung oder Ähnliches zwischen dem Außendeckel und dem Gehäuse mit einer, beispielsweise durch eine Verschraubung aufgebrachten, entsprechend hohen Anpresskraft zu verpressen, damit auch bei einer hohen Druckdifferenz eine ausreichend hohe Dichtwirkung bereitgestellt wird. Vorzugsweise weist das Gehäuse einen abstehenden Befestigungsflansch auf, mit dessen Hilfe der jeweils zugeordnete Außendeckel über eine Flanschverbindung, die Schrauben-Mutter-Verbindungen aufweist, mit einer hohen Dichtwirkung mit dem Gehäuse befestigt werden kann.
Der erste Wälzkolben kann mit der ersten Kolbenwelle, beispielsweise über eine Feder-Nabe-Verbindung, drehfest verbunden sein. Entsprechend kann der zweite Wälzkolben mit der zweiten Kolbenwelle, beispielsweise über eine Feder-Nabe-Verbindung, drehfest verbunden sein. Die Wälzkolben können ineinander eingreifen und gegensinnig aneinander abwälzen, so dass zwischen einem Flügel des jeweiligen Wälzkolbens und einer Gehäuseinnenseite des Gehäuses das dampfförmige Medium, im Wesentlichen isochor, von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite transportiert wird. Der Wälzkolben kann hierbei beispielsweise als Ovalrad oder dreiflügelig ausgestaltet sein. Mit Hilfe der Enthalpie des dampfförmigen Mediums können die Wälzkolben angetrieben werden, so dass an einer der Kolbenwelle eine mechanische Leistung abgegriffen werden kann, die insbesondere mit Hilfe einer elektrischen Maschine in elektrische Energie gewandelt werden kann. In einer Anwendung in der Vakuumtechnik würde der Leistungsfluss in die entgegengesetzte Richtung verlaufen, indem an einem der Kolbenwellen ein in einer elektrischen Maschine erzeugtes Drehmoment eingeleitet wird, um durch die elektrisch angetriebene Drehung der Wälzkolben Gasmoleküle abzupumpen und ein Vakuum, beispielsweise bis 10^-5 mbar, an der Eingangsseite zu erzeugen.
Das Wälzkolbengebläse kann mit einer geringer Gasreibung arbeiten und kann gleichzeitig gegen Flüssigkeitstropfen aus dem dampfförmigen Medium unempfindlich sein. Das Wälzkolbengebläse kann hohe Drehgeschwindigkeiten erreichen, bei denen eine zur Gehäuseinnenseite weisende Dichtkante am Außenradius des jeweiligen Wälzkolbens Relativgeschwindigkeiten von mehr als etwa 1/10 der Schallgeschwindigkeit erreicht kann, so dass sich an der Dichtkante eine dynamische Dichtung ergeben kann. Ein Rückfluss des dampfförmigen Mediums an der Dichtkante vorbei kann bei derartigen Drehgeschwindigkeiten vermieden oder zumindest vernachlässigt werden. Ein Ein- und Ausströmen mit Vergrößerung oder Verringerung des Schöpfvolumens zwischen den Flügeln des Wälzkolbens und der Gehäuseinnenseite findet im Wesentlichen nicht statt. Stattdessen erfolgt der Transport des dampfförmigen Mediums über die Drehbewegung des jeweiligen Wälzkolbens bei konstantem Volumen und dadurch bei einem besonders hohen Wirkungsgrad. Während des Entspannungsvorganges wird die Wärmeenergie des dampfförmigen Arbeitsmittels zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt.
Der Arbeitsraum des Gehäuses des Wälzkolbengebläses kann durch die Wälzkolben in einen eingangsseitigen Arbeitsraum, in den das dampfförmige Medium zugeführt wird, einen ausgangsseitigen Arbeitsraum, aus dem das dampfförmige Medium abgeführt wird, und ein zwischen den Flügeln des jeweiligen Wälzkolbens und der Gehäuseinnenseite des Gehäuses abgeschlossenes Schöpfvolumen unterteilt sein. Der eingangsseitige Arbeitsraum und der ausgangsseitige Arbeitsraum können durch die Wälzkolben voneinander fuidisch abgetrennt sein, so dass in dem eingangsseitigen Arbeitsraum und in dem ausgangsseitigen Arbeitsraum signifikant unterschiedliche Drucke und/oder Temperaturen vorliegen können. Das Gehäuse kann insbesondere aus Gusseisen, beispielsweise GG20, GG25 oder GG30, hergestellt.
Insbesondere ist die Niederdruck-Dichteinrichtung für eine Abdichtung bei einer Druckdifferenz Δp von 0,2 bar ≤ Δp ≤ 5,0 bar, insbesondere 0,5 bar ≤ Δp ≤ 2,0 bar, vorzugsweise 0,8 bar ≤ Δp ≤ 1,2 bar dimensioniert. Bei einer derartigen Druckdifferenz kann die Niederdruck-Dichteinrichtung als ungeschmierte berührungslose Dichtung oder als ungeschmierter Radialwellendichtring mit einer sehr geringen Anpresskraft oder als ungeschmierte Lippendichtung ausgestaltet sein. Die Herstellungskosten der Niederdruck-Dichteinrichtung sind dadurch gering gehalten. Zudem ist, sofern überhaupt, nur ein sehr geringer Verschleiß der Niederdruck-Dichteinrichtung zu erwarten, so dass sich eine hohe Lebensdauer und geringe Wartungskosten ergeben. Besonders bevorzugt kann ein für die Vakuumtechnik als Vakuumpumpe ausgelegtes Wälzkolbengebläse verwendet werden, deren Außenräume für die Anwendung als Entspannungseinrichtung in einer Hochdruckanwendung nur noch mit der separaten externen Druckquelle fluidisch verbunden werden brauchen. Dies ermöglicht es für das Wälzkolbengebläse zunächst eine kostengünstiges Katalogprodukt zu verwenden, das mit einem geringen Aufwand für eine Anwendung als Entspannungseinrichtung in einer Hochdruckanwendung ertüchtigt werden kann.
Vorzugsweise weist die Niederdruck-Dichteinrichtung ein erstes Dichteelement zum Abdichten des Lagers gegenüber dem Arbeitsraum und ein zweites Dichtelement zum Abdichten des Lagers gegenüber dem ersten Außenraum und/oder dem zweiten Außenraum auf, wobei das Gehäuse einen zwischen dem ersten Dichtelement und dem zweiten Dichtelement einmündenden Drainagekanal zur Abführung von Schmiermittel bei einer Vakuumpumpanwendung aufweist, wobei der Drainagekanal mit der externen Druckquelle zur Beaufschlagung eines zwischen dem ersten Dichtelement und dem zweiten Dichtelement ausgebildeten Zwischenraums mit dem Druck, insbesondere statischen Druck, des Arbeitsraums verbunden ist. Wenn da Wälzkolbengebläse auf einen Katalogbauteil aus der Vakuumtechnik basiert, ist in der Regel der Zwischenraum zwischen den axial zueinander beabstandeten Dichtelementen der Niederdruck-Dichteinrichtung mit dem Drainagekanal versehen, der jedoch in der Anwendung als Entspannungseinrichtung nicht benötigt wird. Stattdessen der sowieso vorgesehene und bei einer ungeschmierten Niederdruck-Dichteinrichtung nicht benötigte Drainagekanal funktionalisiert werden, um auch in dem Zwischenraum zwischen den zwischen den axial zueinander beabstandeten Dichtelementen der Niederdruck-Dichteinrichtung den im Wesentlichen gleichen Druck wie im Arbeitsraum und im Außenraum vorzusehen. Eine Leckage in den Zwischenraum hinein und/oder aus dem Zwischenraum heraus kann dadurch vermieden werden. Zudem kann an dem jeweiligen Dichtelement der Niederdruck-Dichteinrichtung eine sehr geringe Druckdifferenz, insbesondere im Wesentlichen Null, anliegen, so dass das Dichtelement entsprechend einfach und kostengünstig ausgestaltet sein kann.
Besonders bevorzugt ist die erste Kolbenwelle und/oder die zweite Kolbenwelle beidseitig durch das Gehäuse hindurchgeführt, wobei an beiden Axialseiten des Gehäuses der erste Außenraum und/oder der zweite Außenraum ausgebildet ist. Eine Lagerung der jeweiligen Kolbenwelle in einem Sackloch ist dadurch vermieden. Die Wandstärke des Gehäuses kann dadurch vergleichsweise dünn ausgeführt sein, da für die Lagerung einer Wellendurchführung und deren Abdichtung mit der Niederdruck-Dichteinrichtung nur ein geringer axialer Bauraum benötigt wird. Insbesondere können beide Kolbenwellen an beiden Axialenden durch die jeweilige Gehäusewand des Gehäuses hindurchgeführt sein und gegebenenfalls innerhalb des Außenraums enden, wobei zumindest ein Wellenende auch durch den Außendeckel aus dem Außenraum herausgeführt sein kann, um die an der Kolbenwelle angreifende mechanische Leistung abzugreifen.
Insbesondere ist der erste Außenraum an der selben Axialseite des Gehäuses separat und räumlich getrennt zu dem zweiten Außenraum ausgebildet. Dadurch kann das in dem einen Außenraum mündende eine Wellenende der der einen Kolbenwelle zur Kolbenwelle des anderen Außenraums abgedichtet werden. Das Risiko einer Leckage über eine Wellendurchführung durch den zugehörigen Außendeckel kann dadurch reduziert werden.
Vorzugsweise ist der erste Außenraum an der selben Axialseite des Gehäuses mit dem zweiten Außenraum verbunden. Da in dem ersten Außenraum und in dem zweiten Außenraum im Wesentlichen der gleiche Druck vorherrschen soll, können an der jeweiligen Axialseite des Gehäuses des Wälzkolbengebläses der erste Außenraum und der zweite Außenraum zu einem gemeinsamen Außenraum zusammengefasst sein. Dies erleichtert es den ersten Außenraum und den zweiten mit Hilfe eines gemeinsamen einzelnen Außendeckels zu begrenzen. Die Montage und die Herstellungskosten können dadurch reduziert werden.
Besonders bevorzugt ist an der jeweiligen Axialseite des Gehäuses ein den ersten Außenraum und/oder den zweiten Außenraum begrenzender Außendeckel mit dem Gehäuse verbunden. Jeweils ein Außendeckel kann nur den ersten Außenraum oder nur de zweiten Außenraum begrenzen. Alternativ kann der an der jeweiligen Axialseite des Gehäuses vorgesehene Außendeckel sowohl den ersten Außenraum als auch den zweiten Außenraum begrenzen, so dass die Bauteileanzahl gering gehalten sein kann. Der Außendeckel kann insbesondere über eine Ringdichtung dichtend an der zugewandten Axialseite des Gehäuses aufgesetzt sein. Insbesondere ist der Außendeckel, vorzugsweise über eine Flanschverbindung, mit dem Gehäuse verbunden, insbesondere verschraubt.
Insbesondere ist eine in dem Außendeckel vorgesehene Wellendurchführung für die erste Kolbenwelle und/oder die zweite Kolbenwelle über eine mit Schmierstoff geschmierte Wellendichtung abgedichtet ist. De Wellendichtung kann insbesondere leicht als geschmierte Hochdruck-Dichteinrichtung ausgestaltet sein. In Vergleich zu der Niederdruck-Dichteinrichtung im Gehäuse des Wälzkolbengebläses ist die Wellendichtung in dem Außendeckel wesentlich leichter zugänglich, um Schmiermittel und/oder Kühlmittel zuzuführen und/oder abzuführen. Zudem kann eine Leckage des dampfförmigen Mediums vermieden sein. Sofern überhaupt, würde das aus der Druckquelle stammende Gas über die Wellendurchführung lecken, das im Vergleich zu dem dampfförmigen Medium aber deutlich weniger belastend für die Umwelt sein kann.
Vorzugsweise ist die Wellendurchführung und/oder die Wellendichtung mit einer Schmierstoffpumpe zum Umfördern des Schmierstoffs verbunden. Dadurch kann die Wellendurchführung in dem Außendeckel für die Abdichtung einer besonders großen Druckdifferenz ausgelegt sein.
Besonders bevorzugt ist ein mit dem, insbesondere eingangsseitigen, Arbeitsraum kommunizierender Drucksensor vorgesehen, wobei der Drucksensor mit der externen Druckquelle zur Regelung des Drucks in dem Außenraum in Abhängigkeit von dem gemessenen Druck, insbesondere statischen Druck, des Arbeitsraums verbunden ist. Dadurch kann der Druck in dem jeweiligen Außenraum leicht an einen sich verändernden statischen Druck im Arbeitsraum angepasst werden, so dass an der Niederdruck-Dichteinrichtung immer eine besonders geringe Druckdifferenz vorgesehen sein kann, die von der Niederdruck-Dichteinrichtung leicht und verschleißarm ertragen werden kann.
Insbesondere ist der von der externen Druckquelle bereitgestellte Druck des Außenraums derart in Abhängigkeit des Drucksensors geregelt, dass in dem Außenraum im Vergleich zu dem Druck, insbesondere statischen Druck, im Arbeitsraum ein Überdruck Δp_a bereitgestellt ist, wobei insbesondere 0,05 bar ≤ Δp_a ≤ 0,80 bar, vorzugsweise 0,10 bar ≤ Δp_a ≤ 0,40 bar und besonders bevorzugt 0,15 bar ≤ Δp_a ≤ 0,25 bar gilt. In dem Außenraum kann dadurch im Vergleich zum, insbesondere eingangsseitigen, Arbeitsraum ein leichter Überdruck vorgesehen sein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine an der Niederdruck-Dichteinrichtung stattfindende Leckage nur von dem Außenraum in den Arbeitsraum, aber nicht von dem Arbeitsraum in den Außenraum erfolgen kann. Eine Leckage des dampfförmigen Mediums kann dadurch sicher vermieden werden. Insbesondere ist es möglich bei der Niederdruck-Dichteinrichtung eine ungeschmierte berührungslose Labyrinthdichtung vorzusehen und gleichzeitig eine Leckage des dampfförmigen Mediums sicher zu vermeiden.
Vorzugsweise ist der von der externen Druckquelle bereitgestellte Druck über den eine Dichtmembran aufweisenden Drucksensor zum Öffnen und Schließen eines mit der Druckquelle verbundenen Absperrventils regelbar, wobei ein mit dem Arbeitsraum kommunizierender Druckmesskanal über eine Flüssigkeitssäule mit der Dichtmembran fluidisch gekoppelt ist. Dadurch kann vermieden werden, dass das dampfförmige Medium aus dem Arbeitsraum in direkten Kontakt mit der Dichtmembran gelangt. Die Dichtmembran ist dadurch vor einem unmittelbaren Kontakt mit dem dampfförmigen Medium geschützt. Insbesondere kann die Dichtmembran vor einer zu starken thermischen Belastung durch das dampfförmige Medium geschützt werden, so dass eine korrosive und/oder thermische Beschädigung der Dichtmembran durch das dampfförmige Medium vermieden ist. Beispielsweise ist die Dichtemembran in Schwerkraftrichtung unterhalb der Flüssigkeitssäule vorgesehen, so dass bei einem Umgebungsdruck im Arbeitsraum des Gehäuses nur die Gewichtskraft der Flüssigkeitssäule auf die Dichtmembran einwirkt. Wenn sich der statische Druck und/oder der Gesamtdruck im Arbeitsraum erhöht, kann der statische Druck und/oder Gesamtdruck des dampfförmigen Mediums ebenfalls auf die Dichtmembran einwirken und die Dichtmembran stärker durchdrücken. Die Verformung der Dichtmembran kann dann als Maß für den angreifenden statischen und/oder Gesamtdruck des dampfförmigen Mediums verwendet werden. Über die gemessene Verformung der Dichtmembran kann dann ein Absperrventil für die separate externe Druckquelle derart gesteuert werden, dass der gewünschte (Gegen-)Druck in den Außenräumen eingestellt werden kann.
Besonders bevorzugt ist die Flüssigkeitssäule in einem von der Dichtmembran begrenzten Aufnahmebehälter des Drucksensors aufgenommen, wobei eine äußere Oberfläche des Aufnahmebehälters zur konvektiven Wärmeabfuhr einer von der Flüssigkeitssäule aus dem Arbeitsraum aufgenommenen Wärmemenge dimensioniert ist. Die Wärme des auf die Oberfläche der Flüssigkeitssäule einwirkenden dampfförmigen Mediums kann über die Oberfläche des Aufnahmebehälters durch natürliche Konvektion an die Umgebung abgegeben werden. Eine zu starke Aufheizung der Flüssigkeitssäule in Temperaturregionen, welche die Dichtmembran beschädigen könnten, kann dadurch vermieden werden. Vorzugsweise weist der Aufnahmebehälter an seiner Außenseite Kühlrippen auf, um den konvektiven Wärmeübergang zu verbessern.
Insbesondere ist das Volumen und/oder die Wärmekapazität der Flüssigkeitssäule derart zur Aufnahme einer aus dem Arbeitsraum stammender Wärmemenge dimensioniert, dass die Temperatur der Flüssigkeitssäule unterhalb einer Maximaltemperatur Tmax von 30°C ≤ T_max ≤ 90°C, insbesondere 40°C ≤ T_max ≤ 75°C und vorzugsweise 50°C ≤ T_max ≤ 65°C liegt. Auch bei einem vergleichsweise heißen dampfförmigen Medium kann die Flüssigkeitssäule nicht soweit aufgeheizt werden, dass eine Beschädigung der Dichtmembran zu befürchten wäre.
Vorzugsweise weist die Flüssigkeitssäule Wasser auf. Aufgrund der hohen Wärmekapazität von Wasser tritt allenfalls nur ein langsames Aufheizen der Flüssigkeitssäule auf, so dass die Dichtmembran vor zu hohen Temperaturen geschützt ist.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die externe Druckquelle Druckluft bereitstellt. Die Druckluft kann als technisches Gas vorliegen, das im Wesentlichen ausschließlich Stickstoff und Sauerstoff aufweist, wobei möglichst keine weiteren Gase vorgesehen sind. Alternativ kann die Druckluft der separaten externen Druckquelle mit Hilfe eines Kompressors aus Umgebungsluft kostengünstig gewonnen werden. Eine Leckage von Druckluft aus dem Außenraum in die Umgebung und/oder eine Leckage von Druckluft aus dem Außenraum in den Arbeitsraum ist in der Regel unproblematisch. Alternativ kann die Druckquelle ein Inertgas, beispielsweise im Wesentlichen reinen Stickstoff, bereitstellen, beispielsweise wenn das Wälzkolbengebläse in einer explosionsgefährdeten Umgebung vorgesehen werden soll.
Insbesondere ist der erste Außenraum und/oder der zweite Außenraum über ein, insbesondere von dem Drucksensor steuerbares, Ablassventil zur Reduzierung des Drucks in dem erste Außenraum beziehungsweise in dem zweite Außenraum mit der Umgebung fluidisch verbindbar. Falls in dem Arbeitsraum der Druck sinken sollte, ist es in der Regel unproblematisch, wenn ein Teil des dadurch entstehenden Überdrucks in dem Außenraum über die Niederdruck-Dichteinrichtung an den Arbeitsraum abgelassen wird. Insbesondere bei einem plötzlichen Druckabfall im Arbeitsraum kann es jedoch vorteilhaft sein den in dem Arbeitsraum vorliegenden Überdruck im Vergleich zu dem aktuellen Druck im Arbeitsraum über das Ablassventil an die Umgebung abzugeben. Unnötige Belastungen der Niederdruck-Dichteinrichtung können dadurch vermieden werden.
Vorzugsweise weist der Arbeitsraum mindestens einen Kondensatsumpf zum Sammeln und/oder Abführen von in dem Arbeitsraum auftretenden Niederschlägen, insbesondere kondensiertes Wassers und/oder Feststoffpartikel, auf. Falls in dem Arbeitsraum bei der Entspannung des dampfförmigen Mediums Flüssigkeiten und/oder Feststoffe aus der Gasphase ausfallen sollen, können diese in dem Kondensatsumpf gesammelt und gegebenenfalls abgeführt werden. Vorzugsweise ist der Kondensatsumpf an der in Schwerkraftrichtung tiefsten Stelle des Gehäuses vorgesehen. Insbesondere ist die Erstreckung des Kondensatsumpfs in Drehrichtung des zugeordneten Wälzkolbens so klein, dass eine signifikante Rückströmung an einer Dichtkante eines Flügels des Wälzkolbens vorbei über den Kondensatsumpf bei den zu erwartenden Drehgeschwindigkeiten des Wälzkolbens nicht zu erwarten sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Entspannungsvorrichtung zur Erzeugung von mechanischer und/oder elektrischer Energie aus einem dampfförmigen Medium, mit einem als Vakuumpumpe ausgelegten Wälzkolbengebläse, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zur Entspannung des dampfförmigen Mediums, wobei ein Wellenende der zweiten Kolbenwelle aus dem Außenraum herausgeführt ist, und eine mit dem Wellenende der zweiten Kolbenwelle verbundenen Kupplung zur Ableitung der mechanischen Energie der zweiten Kolbenwelle an einen Verbraucher, insbesondere eine elektrische Maschine zur Erzeugung elektrischer Energie. Die Entspannungsvorrichtung kann insbesondere wie vorstehend anhand des Wälzkolbengebläses erläutert, aus- und weitergebildet sein. Durch den mit Hilfe der Druckquelle bereitgestellten Druck in dem jeweiligen Außenraum kann auch ein eigentlich für Anwendungen in der Vakuumtechnik dimensioniertes Wälzkolbengebläse in hohen Druckbereichen als Entspannungseinrichtung eingesetzt werden. Durch die Medientrennung von dampfförmigen Medium ausschließlich in dem Arbeitsraum des Wälzkolbengebläses und Gas aus der separaten externen Druckquelle ausschließlich im Außenraum des Wälzkolbengebläses kann eine Korrosion und/oder eine Verunreinigung im Außenraum, welche die Dichtwirkung des Außenraums beeinträchtigen könnte, vermieden werden, so dass die Dichtigkeit des Wälzkolbengebläses in hohen Druckbereichen und auch bei verunreinigten dampfförmigen Medien erhalten bleibt. Durch die Medientrennung der an beiden Axialseiten der Niederdruck-Dichteinrichtung angreifenden im Wesentlichen gleich großen Drucke kann das Wälzkolbengebläse der Entspannungsvorrichtung in hohen Druckbereichen mit einer guten Dichtwirkung eingesetzt werden.
Besonders bevorzugt ist das Wälzkolbengebläse eingangsseitig mit einem Abgasausgang einer Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung eines fossilen Energieträgers verbunden. Da eine Leckage der Verbrennungsprodukte aufweisenden dampfförmigen Mediums an der Niederdruck-Dichteinrichtung vermieden ist, kann das Abgas aus der Verbrennung des fossilen Energieträgers im Wesentlichen problemlos dem Wälzkolbengebläse zugeführt werden. Insbesondere kann das Abgas unmittelbar, das heißt ohne zwischengeschaltete Gaswäsche und/oder zwischengeschalteten Filter, dem Wälzkolbengebläse zugeführt werden.
Insbesondere ist das Wälzkolbengebläse eingangsseitig mit einem Dampfausgang zur Abfuhr von überhitzen Wasserdampf und/oder Sattdampf und/oder Nassdampf verbunden. Da eine Leckage des dampfförmigen Mediums an der Niederdruck-Dichteinrichtung vermieden ist, kann zugelassen werden, dass bei der Entspannung des dampfförmigen Mediums Wasser auskondensiert. Dies ermöglicht es auch Wasserdampf auf einem vergleichsweise hohen Druckniveau aber einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau in dem Wälzkolbengebläse zur Energiegewinnung zu nutzen.
Vorzugsweise liegt in dem Arbeitsraum ein Gesamtdruck p_m von 2,5 bar ≤ p_m ≤ 80 bar, insbesondere 5,0 bar ≤ p_m ≤ 50 bar, vorzugsweise 10,0 bar ≤ p_m ≤ 25 bar vor. Durch den erhöhten Druck im Außenraum kann auch ein eigentlich für eine Anwendung in der Vakuumtechnik ausgelegtes Wälzkolbengebläse für einen derartigen Hochdruckbereich verwendet werden. Zudem kann bei einem derartigen Druck das Risiko eines Ausfallens von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen aus der Gasphase reduziert werden.
Besonders bevorzugt weist das eingangsseitig im Wälzkolbengebläse vorgesehene dampfförmige Medium eine Temperatur T von 80°C ≤ T ≤ 400°C, insbesondere 90°C ≤ T ≤ 200°C, vorzugsweise 100°C ≤ T ≤ 150°C auf. Da eine Leckage von einem derartig heißen Medium an der Niederdruck-Dichteinrichtung vorbei vermieden werden kann, ist es möglich auch ein dampfförmiges Medium mit einem entsprechend hohen Energieinhalt und einer entsprechend hohen Temperatur problemlos in dem Wälzkolbengebläse zu nutzen.
Insbesondere ist das Wälzkolbengebläse ausgangsseitig mit der Umgebung verbunden. Der Energieinhalt des dampfförmigen Mediums kann vorzugsweise soweit in dem Wälzkolbengebläse entzogen werden, dass das dampfförmige Medium, gegebenenfalls über einen Schalldämpfer, an die Umgebung abgegeben werden kann. Das ausgangsseitig am Wälzkolbengebläse vorliegende dampfförmige Medium kann insbesondere in der Nähe der Umgebungsbedingungen vorliegen und nahezu keine Exergie mehr aufweisen.
Vorzugsweise ist es möglich, dass zwei oder mehr Wälzkolbengebläse in Strömungsrichtung des dampfförmigen Mediums hintereinandergeschaltet sind. Dadurch kann das dampfförmige Medium in mehreren Druckstufen entspannt werden. Wenn der Energieinhalt des dampfförmigen Mediums am Ausgang des vorherigen Wälzkolbengebläses dies hergibt, kann der Eingang des nächsten, insbesondere für dieses Druck- und Temperaturniveau des dampfförmigen Mediums optimierte, Wälzkolbengebläses an den Ausgang des stromaufwärts liegenden Wälzkolbengebläses angeschlossen werden. Besonders bevorzugt wird der jeweilige Außenraum der mindestens zwei Wälzkolbengebläse aus der selben separaten externen Druckquelle gespeist, wobei insbesondere für jedes Wälzkolbengebläse eine separate Druckregelung vorgesehen ist, damit in jedem Außenraum des jeweiligen Wälzkolbengebläses ein dem Gesamtdruck im Arbeitsraum des zugeordneten Wälzkolbengebläses eingestellt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Dampfversorgungsanlage zur Versorgung einer Industrieanlage mit Wasserdampf, mit einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Wasserdampf, einem Verbraucher zur Nutzung eines Energieinhalts des Wasserdampfs und einer ausgangsseitig vorgesehenen Entspannungsvorrichtung, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zur Entspannung des auf einem für die Verbraucher der Industrieanlage zu niedrigen Energieniveau vorliegenden Wasserdampf. Die Dampfversorgungsanlage kann insbesondere wie vorstehend anhand des Wälzkolbengebläses und/oder der Entspannungsvorrichtung erläutert, aus- und weitergebildet sein. Durch den mit Hilfe der Druckquelle bereitgestellten Druck in dem jeweiligen Außenraum kann auch ein eigentlich für Anwendungen in der Vakuumtechnik dimensioniertes Wälzkolbengebläse in hohen Druckbereichen als Entspannungseinrichtung eingesetzt werden. Durch die Medientrennung von dampfförmigen Medium ausschließlich in dem Arbeitsraum des Wälzkolbengebläses und Gas aus der separaten externen Druckquelle ausschließlich im Außenraum des Wälzkolbengebläses kann eine Korrosion und/oder eine Verunreinigung im Außenraum, welche die Dichtwirkung des Außenraums beeinträchtigen könnte, vermieden werden, so dass die Dichtigkeit des Wälzkolbengebläses in hohen Druckbereichen und auch bei verunreinigten dampfförmigen Medien erhalten bleibt. Durch die Medientrennung der an beiden Axialseiten der Niederdruck-Dichteinrichtung angreifenden im Wesentlichen gleich großen Drucke kann das Wälzkolbengebläse der Entspannungsvorrichtung in der Dampfversorgungsanlage in hohen Druckbereichen mit einer guten Dichtwirkung eingesetzt werden. Je nachdem wie viele Verbraucher wie viel Dampf verbrauchen, können die thermodynamischen Zustandsgrößen des dem Wälzkolbengebläse zugeführten dampfförmigen Medium schwanken. Durch die Koppelung des Drucks in dem Außenraum mit dem eingangsseitigen Druck des Arbeitsraums kann jedoch eine auch bei schwankenden Bedingungen eine gute Dichtigkeit an der Niederdruck-Dichteinrichtung sichergestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:

1: eine schematische Querschnittansicht eines Wälzkolbengebläses,
2: eine schematische Längsschnittansicht des Wälzkolbengebläses aus 1,
3: eine schematische Detailansicht einer Niederdruck-Dichteinheit des Wälzkolbengebläses aus 2.

Das in 1 dargestellte Wälzkolbengebläse 10 kann insbesondere eigentlich für eine Anwendung in der Vakuumtechnik, insbesondere als Vakuumpumpe, dimensioniert und ausgelegt sein. Das Wälzkolbengebläse 10 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem ein mit einer ersten Kolbenwelle 14 verbundener erster Wälzkolben 16 und ein mit einer zweiten Kolbenwelle 18 verbundener erster Wälzkolben 20 aneinander abwälzend angeordnet sind. Die beispielsweise als Ovalrad ausgestalteten Wälzkolben 16, 20 können mit einem möglichst kleinen Dichtspalt an einer einen Arbeitsraum 22 begrenzenden Innenseite 24 des Gehäuses und aneinander entlangbewegt werden. In der Anwendung als Vakuumpumpe wäre einer der Kolbenwellen 14, 18 von einer elektrischen Maschine angetrieben, um Gasmoleküle zur Erzeugung eines Vakuums abzupumpen. In der hier relevanten Anwendung des Wälzkolbengebläses 10 als erfindungsgemäße Entspannungseinrichtung wird ein in den Arbeitsraum 22 eingangsseitig eintretendes dampfförmiges Medium an den von dem Energieinhalt des dampfförmigen Mediums angetrieben Wälzkolben 16, 20 entspannt, so dass das dampfförmige Medium den Arbeitsraum 22 auf einem niedrigeren Energieniveau verlassen kann. An einem der der Kolbenwellen 14, 18 kann eine mechanische Leistung abgegriffen und insbesondere einer im Generatorbetrieb betrieben elektrischen Maschine zugeführt werden, um elektrische Energie zu erzeugen.
Wie in 2 dargestellt ist, können die Kolbenwellen 14, 18 an beiden Axialseiten des Gehäuses 12 in einer Wellendurchführung durch eine Gehäusewand des Gehäuses 12 gelagert und mit Hilfe einer in 3 im Detail dargestellten ungeschmierten berührenden oder nichtberührenden Niederdruck-Dichteinrichtung 26 abgedichtet. Die erste Kolbenwelle 14 ragt an beiden Axialseiten in einen ersten Außenraum 28 hinein, während die zweite Kolbenwelle an beiden Axialseiten in einen zweiten Außenraum 30 hineinragt. Der erste Außenraum 28 und der zweite Außenraum 30 können voneinander separiert sein, wie dies an der linken Axialseite des Gehäuses 12 dargestellt ist, oder zu einem gemeinsamen Außenraum zusammengefasst sein, wie dies an der rechten Axialseite des Gehäuses 12 dargestellt ist. Die Außenräume 28, 30 können durch einen mit dem Gehäuse 12, insbesondere über eine Schrauben-Mutter-verbindungen aufweisende Flanschverbindung, verschraubten Außendeckel 32 begrenzt sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ausschließlich die zweite Kolbenwelle 18 an einem Axialende auch durch den Außendeckel 32 hindurchgeführt. Die zweite Kolbenwelle 18 kann in einer Wellendurchführung des Außendeckels 32 gelagert und durch eine als aktiv oder passive geschmierte berührende Hochdruck-Dichteinrichtung ausgestaltete Wellendichtung 34 abgedichtet sein. Mit Hilfe einer im dargestellten Ausführungsbeispiel als Riemenscheibenanbindung ausgestaltete Kupplung 36 kann die zweite Kolbenwelle 18 mit einer elektrischen Maschine zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt sein.
Damit die Niederdruck-Dichteinrichtung 26 bei geringen Kosten und niedrigen Verschleiß eine ausreichende Abdichtung bewirkt, ist in dem ersten Außenraum 28 und in dem zweiten Außenraum 30 an beiden Axialseiten des Gehäuses 12 im Wesentlichen der gleiche Druck, insbesondere statische Druck, wie im Arbeitsraum 22 oder ein geringfügig höherer Druck eingestellt, so dass an der Niederdruck-Dichteinrichtung 26 nur ein minimaler Differenzdruck anliegt. Hierzu ist ein mit dem Arbeitsraum 22, insbesondere eingangsseitig, kommunizierender Drucksensor 38 vorgesehen, der den Druck, insbesondere statischen Druck, des Arbeitsraums 22 abgreift. Das über den Drucksensor 38 abgegriffene dampfförmige Fluid drückt über einen Druckmesskanal gegen eine in einem Aufnahmebehälter 40 aufgenommene Flüssigkeitssäule 42, wodurch eine die Unterseite des Aufnahmebehälters 40 begrenzende Dichtmembran 44 in Abhängigkeit von dem abgegriffenen Druck verformt werden kann. Die gemessene Verformung der Dichtmembran 44 kann als Maß für den Druck, insbesondere statischen Druck oder Gesamtdruck, im Arbeitsraum 22 ein Absperrventil 46 gesteuert werden, so dass ein aus einer separaten externen Druckquelle 48 stammendes Gas einen an dem gemessenen Druck im Arbeitsraum 22 angepassten Druck in den Außenräumen 28, 30 bereitstellen kann. Das Gas aus der Druckquelle 48 kann beispielsweise mit Hilfe eines Kompressors 50 verdichtete und in der Druckquelle 48 gespeicherte Umgebungsluft sein. Die im Arbeitsraum 22 und in den Außenräumen 28, 30 vorgesehen Medien sind voneinander getrennt, so dass keine in dem dampfförmigen Medium enthaltenen Verunreinigungen in den Außenräumen 28, 30 ausfallen und Korrosionseffekte auslösen können.
Wie in 3 dargestellt ist, kann die Niederdruck-Dichteinrichtung 26 zwei, beispielsweise als Dichtlippe, als Radialwellendichtring und/oder als Labyrinthdichtung ausgestaltete Dichtelement 52 aufweisen, zwischen denen in einem Zwischenraum 54 ein nicht dargestelltes Lager zur Lagerung der Kolbenwelle 14, 18 in dem Gehäuse 12 vorgesehen sein kann. Das Medium zwischen den Dichtelementen 52 kann aufgrund der aus dem Arbeitsraum 22 einerseits und aus dem Außenraum 28, 30 andererseits aufgeprägten Druck auf dem gleichen Druckniveau komprimiert sein. Wenn das Wälzkolbengebläse 10 jedoch eigentlich als Vakuumpumpe ausgelegt ist, ist in der Regel ein mit dem Zwischenraum 54 kommunizierender Drainagekanal 56 vorgesehen, um ein in diesem Anwendungsfall vorgesehenes Schmiermittel abzuführen. In dem hier betrachteten Anwendungsfall des Wälzkolbengebläses 10 als erfindungsgemäße Entspannungseinrichtung ist jedoch eine Schmierung der Niederdruck-Dichteinrichtung 26 nicht erforderlich, so dass der Drainagekanal 56 vorzugsweise ebenfalls mit dem Absperrventil 46 und der Druckquelle 48 verbunden werden kann. Dadurch kann in dem Zwischenraum 54 der Niederdruck-Dichteinrichtung 26 ebenfalls ein bestimmter Druck aktiv eingestellt werden, der insbesondere dem Druck im Außenraum 28, 30 oder, sofern dies der Fall ist, einem Druck zwischen dem Druck im Außenraum 28, 30 und dem Druck im Arbeitsraum 22 entsprechen kann. Dies ermöglicht eine möglichst geringe Druckdifferenz an dem jeweiligen Dichtelement 52 der Niederdruck-Dichteinrichtung 26.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1702140 B1 [0002]
DE 3710465 C2 [0003]

Claims

Wälzkolbengebläse zur Entspannung eines dampfförmigen Mediums, mit einem Gehäuse (12) zur Begrenzung eines Arbeitsraums (22), einer mit einem ersten Wälzkolben (16) verbindbaren ersten Kolbenwelle (14), wobei die erste Kolbenwelle (14) durch das Gehäuse (12) von dem Arbeitsraum (22) in einen ersten Außenraum (28) hinein hindurchgeführt ist, und einer mit einem zweiten Wälzkolben (20) verbindbaren zweiten Kolbenwelle (18), wobei die zweite Kolbenwelle (18) durch das Gehäuse (12) von dem Arbeitsraum (22) in einen zweiten Außenraum (30) hinein hindurchgeführt ist, wobei die erste Kolbenwelle (14) und die zweite Kolbenwelle (18) über jeweils mindestens ein Lager in dem Gehäuse (12) gelagert sind, wobei das Lager über jeweils eine Niederdruck-Dichteinrichtung (26) gegenüber dem Arbeitsraum (22) und dem jeweiligen Außenraum (28, 30) abgedichtet ist, und wobei der erste Außenraum (28) und/oder der zweite Außenraum (30) mit einer separaten externen Druckquelle (48) zur Beaufschlagung des ersten Außenraums (28) und/oder des zweiten Außenraums (30) mit dem Druck des Arbeitsraums (22) verbunden ist.
Wälzkolbengebläse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Dichteinrichtung (26) für eine Abdichtung bei einer Druckdifferenz Δp von 0,2 bar ≤ Δp ≤ 5,0 bar, insbesondere 0,5 bar ≤ Δp ≤ 2,0 bar, vorzugsweise 0,8 bar ≤ Δp ≤ 1,2 bar dimensioniert ist.
Wälzkolbengebläse nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Dichteinrichtung (26) ein erstes Dichteelement (52) zum Abdichten des Lagers gegenüber dem Arbeitsraum (22) und ein zweites Dichtelement (52) zum Abdichten des Lagers gegenüber dem ersten Außenraum (28) und/oder dem zweiten Außenraum (30) aufweist, wobei das Gehäuse (12) einen zwischen dem ersten Dichtelement (52) und dem zweiten Dichtelement (52) einmündenden Drainagekanal (56) zur Abführung von Schmiermittel bei einer Vakuumpumpanwendung aufweist, wobei der Drainagekanal (56) mit der externen Druckquelle (48) zur Beaufschlagung eines zwischen dem ersten Dichtelement (52) und dem zweiten Dichtelement (52) ausgebildeten Zwischenraums (54) mit dem Druck des Arbeitsraums (22) verbunden ist.
Wälzkolbengebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kolbenwelle (14) und/oder die zweite Kolbenwelle (18) beidseitig durch das Gehäuse hindurchgeführt ist, wobei an beiden Axialseiten des Gehäuses (12) der erste Außenraum (28) und/oder der zweite Außenraum (30) ausgebildet ist.
Wälzkolbengebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Außenraum (28) an der selben Axialseite des Gehäuses (12) separat und räumlich getrennt zu dem zweiten Außenraum (30) ausgebildet ist.
Wälzkolbengebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Außenraum (28) an der selben Axialseite des Gehäuses (12) mit dem zweiten Außenraum (30) verbunden ist.
Wälzkolbengebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass an der jeweiligen Axialseite des Gehäuses (12) ein den ersten Außenraum (28) und/oder den zweiten Außenraum (30) begrenzender Außendeckel (32) mit dem Gehäuse (12) verbunden ist.
Wälzkolbengebläse nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass eine in dem Außendeckel (32) vorgesehene Wellendurchführung für die erste Kolbenwelle (14) und/oder die zweite Kolbenwelle (18) über eine mit Schmierstoff geschmierte Wellendichtung (34) abgedichtet ist.
Wälzkolbengebläse nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Wellendurchführung und/oder die Wellendichtung (34) mit einer Schmierstoffpumpe zum Umfördern des Schmierstoffs verbunden ist.
Wälzkolbengebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Arbeitsraum kommunizierender Drucksensor (38) vorgesehen ist, wobei der Drucksensor (38) mit der externen Druckquelle (48) zur Regelung des Drucks in dem Außenraum (28, 30) in Abhängigkeit von dem gemessenen Druck des Arbeitsraums (22) verbunden ist.
Wälzkolbengebläse nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der von der externen Druckquelle (48) bereitgestellte Druck des Außenraums (28, 30) derart in Abhängigkeit des Drucksensors (38) geregelt ist, dass in dem Außenraum (28, 30) im Vergleich zu dem Druck im Arbeitsraum (22) ein Überdruck Δp_a bereitgestellt ist, wobei insbesondere 0,05 bar ≤ Δp_a ≤ 0,80 bar, vorzugsweise 0,10 bar ≤ Δp_a ≤ 0,40 bar und besonders bevorzugt 0,15 bar ≤ Δp_a ≤ 0,25 bar gilt.
Wälzkolbengebläse nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass der von der externen Druckquelle (48) bereitgestellte Druck über den eine Dichtmembran (44) aufweisenden Drucksensor (38) zum Öffnen und Schließen eines mit der Druckquelle (48) verbundenen Absperrventils (46) regelbar ist, wobei ein mit dem Arbeitsraum (22) kommunizierender Druckmesskanal über eine Flüssigkeitssäule (42) mit der Dichtmembran (44) fluidisch gekoppelt ist.
Wälzkolbengebläse nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitssäule (42) in einem von der Dichtmembran (44) begrenzten Aufnahmebehälter (40) des Drucksensors (38) aufgenommen ist, wobei eine äußere Oberfläche des Aufnahmebehälters (40) zur konvektiven Wärmeabfuhr einer von der Flüssigkeitssäule (42) aus dem Arbeitsraum (22) aufgenommenen Wärmemenge dimensioniert ist.
Wälzkolbengebläse nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen und/oder die Wärmekapazität der Flüssigkeitssäule (42) derart zur Aufnahme einer aus dem Arbeitsraum (22) stammender Wärmemenge dimensioniert ist, dass die Temperatur der Flüssigkeitssäule (42) unterhalb einer Maximaltemperatur T_max von 30°C ≤ T_max ≤ 90°C, insbesondere 40°C ≤ T_max ≤ 75°C und vorzugsweise 50°C ≤ T_max ≤ 65°C liegt.
Wälzkolbengebläse nach einem der Ansprüche 12 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitssäule (42) Wasser aufweist.
Wälzkolbengebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die externe Druckquelle (48) Druckluft bereitstellt.
Wälzkolbengebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Außenraum (28) und/oder der zweite Außenraum (30) über ein, insbesondere von dem Drucksensor (38) steuerbares, Ablassventil zur Reduzierung des Drucks in dem erste Außenraum (28) beziehungsweise in dem zweite Außenraum (30) mit der Umgebung fluidisch verbindbar ist.
Wälzkolbengebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (22) mindestens einen Kondensatsumpf zum Sammeln und/oder Abführen von in dem Arbeitsraum (22) auftretenden Niederschlägen, insbesondere kondensiertes Wassers und/oder Feststoffpartikel, aufweist.
Entspannungsvorrichtung zur Erzeugung von mechanischer und/oder elektrischer Energie aus einem dampfförmigen Medium, mit einem als Vakuumpumpe ausgelegten Wälzkolbengebläse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Entspannung des dampfförmigen Mediums, wobei ein Wellenende der zweiten Kolbenwelle (18) aus dem Außenraum (28, 30) herausgeführt ist, und eine mit dem Wellenende der zweiten Kolbenwelle (18) verbundenen Kupplung (36) zur Ableitung der mechanischen Energie der zweiten Kolbenwelle (18) an einen Verbraucher, insbesondere eine elektrische Maschine zur Erzeugung elektrischer Energie.
Entspannungsvorrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzkolbengebläse (10) eingangsseitig mit einem Abgasausgang einer Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung eines fossilen Energieträgers verbunden ist.
Entspannungsvorrichtung nach Anspruch 19 oder 20 dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzkolbengebläse (10) eingangsseitig mit einem Dampfausgang zur Abfuhr von überhitzen Wasserdampf und/oder Sattdampf und/oder Nassdampf verbunden ist.
Entspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21 dadurch gekennzeichnet, dass in dem Arbeitsraum (22) ein Gesamtdruck p_m von 2,5 bar ≤ p_m ≤ 80 bar, insbesondere 5,0 bar ≤ p_m ≤ 50 bar, vorzugsweise 10,0 bar ≤ p_m ≤ 25 bar vorliegt.
Entspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass das eingangsseitig im Wälzkolbengebläse (10) vorgesehene dampfförmige Medium eine Temperatur T von 80°C ≤ T ≤ 400°C, insbesondere 90°C ≤ T ≤ 200°C, vorzugsweise 100°C ≤ T ≤ 150°C aufweist.
Entspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23 dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzkolbengebläse (10) ausgangsseitig mit der Umgebung verbunden ist.
Entspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24 dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Wälzkolbengebläse (10) in Strömungsrichtung des dampfförmigen Mediums hintereinandergeschaltet sind.
Entspannungsvorrichtung nach Anspruch 25 dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Außenraum (28, 30) der mindestens zwei Wälzkolbengebläse (10) aus der selben separaten externen Druckquelle (48) gespeist wird.
Dampfversorgungsanlage zur Versorgung einer Industrieanlage mit Wasserdampf, mit einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Wasserdampf, einem Verbraucher zur Nutzung eines Energieinhalts des Wasserdampfs und einer ausgangsseitig vorgesehenen Entspannungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26 zur Entspannung des auf einem für die Verbraucher der Industrieanlage zu niedrigen Energieniveau vorliegenden Wasserdampf.