DE2943204A1

DE2943204A1 - Verfahren und anordnung zur erzeugung von prozessdampf

Info

Publication number: DE2943204A1
Application number: DE19792943204
Authority: DE
Inventors: Ravinder K Sakhuja
Original assignee: Thermo Electron Corp
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 1978-10-25
Filing date: 1979-10-25
Publication date: 1980-05-08
Also published as: JPS5585802A; FR2439870B1; GB2034012B; FR2439870A1; GB2034012A

Description

DIPL. ING. HEINZ BAROEHLE PATENTANWALT _

Aktenzeichen:

Anmelder: Thermo Electron Corporation 101 Fi ist Avenue
Waltham, Mass.02 154 USA

München, 2 5 . Ok tcbc r 19 79 Mein Zeichen: ρ 29 75

Ver fahre η und Anordnung _zu_r_ _E_r_z_e uoung von Pro ζ e β dampf

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Prozeßdampf eines Drucks in der Größenordnung von 3,6 at bis 7,1 at aus sonst für andere Zwecke verwendetem Dampf niedrigerer Temperatur und niedrigeren Drucks oder aus Dampf,der unter Verwendung von Industrieabwärme erzeugt worden ist und einen Druck in der Größenordnung von O bis 1,12 at aufweist.

Im Augenblick beträgt der Anteil der Industrie in den Vereinigten Staaten am Energieverbrauch der ganzen Nation nahezu 40%. Unter den verschiedenen Formen der in der Industrie benötigten Energie werden 45% als Prozeßdampf verbraucht und wiederum die Hälfte davon ist Danrof mit Drücken von weniger als 7,1 at. Prozeßdampf wird in der Eisen- und Stahlherstellung, in der Erdölraffinerie, in der Papier-,Aluminium-, Kupfer-, und Zementherstellungsindustrie sowie zur Raumheizung benötigt. In diesen und in anderen Anwendungsfällen ist es erforderlich, daß der Dampf einen geeigneten Druck aufweist, der gewöhnlich wenigstens bei 0,2 at liegt. Ein Druck von 0,35 at kann als typischer Prozeßdampfdruck angesehen werden.

Die steigenden Kosten für Brennstoff und die größer werdende Nachfrage nach Energie macht früher nicht konkurenzfähige Verfahren der Konservierung und der Erzeugung von Nutzenergie immer mehr attraktiv. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist im U-S Patent 1 066 348 angegeben, wonach für die Industrie nutzbarer Dampf aus dem Niederdruckabdampf einer Dampfmaschine gewonnen wird. Bei diesen Verfahren wird der Dampf komprimiert, so daß er wieder in einen thermodynamischen Temperatur- und Druckzustand gelangt, der ihn zur Auswertung geeignet macht. Um wirtschaftlich ausführbar zu sein, muß dieses Verfahren jedoch einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, d.h. ein großes Verhältnis der entstandenen abgegebenen Wärme zur Energie ( oder deren thermischen Äquivalent ), die den Kompressor zugeführt worden ist. Nur unter diesen Umständen ist die zusätzliche Investion für einen oder mehrere Kompressoren und für sonstiges Zubehör gerechtfertigt.

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Im US-P 3 962 873 ist ein Beispiel für eine Verbesserung des im erstgenannten ρ atent-beschri ebenen Verfahrens angegeben bei dem ein solcher hoher Wirkungsgrad vorliegt. Gemäß des letztgenannten Patents wird Dampf niedrigen Drucks mit Hilfe eines Solarkollektors erzeugt und danach mit Hilfe eines Kompressors auf höheren Druck gebracht. Der Kompressor wird durch eine Antriebsmaschine angetrieben, die außer der Abtriebsenergie Abgase relativ hoher Temperatur sowie Dampf niedrigen Drucks erzeugt, der in ihrem Kühlsystem entsteht. Die Wärme der Abgase, die sonst Verlustwärme ist, wird hier dazu verwendet, Prozeßdampf zu erzeugen, der zu demjenigen Dampf hinzugefügt wird, der durch den Kompressor selbst erzeugt worden ist. Darüberhinaus treibt die Maschine einen zweiten Kompressor an, der den im Kühlsystem entstandenen Dampf niedrigen Drucks auf höheren Druck bringt, womit darüberhinaus weiterer Prozeßdampf entsteht. Aufgrund dieser beschriebenen und anderer Merkmale des Verfahrens gemäß des letztgenannten US-Patent kann mit diesem Verfahren die annähernd dreifache Dampfmenge unter vergleichbaren Bedingungen und mit dem_seiben-> Treibstoff erzeugt werden gegenüber dem Fall daß der Dampf direkt in einem üblichen Kessel erzeugt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Verbesserung bei der Erzeugung von Hochdruckprozeßdampf aus Dampf niedrigerer Temperatur und niedrigeren Drucks zu erzielen.

Durch die Erfindung werden daher, ganz allgemein ausgedrückt, ein Verfahren sowie Mittel zur .Durchführung des Verfahrens angegeben, mit denen Niederdruck-und Niedertemperaturdampf in Prozeßdampf demgegenüber höherer Temperatur und höheren Drucks auf einem thermodynamischen Weg erzeugt wird, der von der Energiebilanz her einen sehr hohen Wirkungsgrad hat. Gemäß der Erfindung wird eine Zweiphasenmischung aus Wasser und Dampf der Einlaßöffnung eines Schneckenrotorkompressors zugeführt, der vorzugsweise vom trocken arbeitenden Typ ist, so daß die flüssige Komponente der Mischung dort verdampft wird. Der vorhandene Dampf kann eine bestimmte Temperatur oder einen bestimmten Druck aufweisen, die vom Wassergehalt, vom Kompressionsver-

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hältnis des Kompressors und von der Anfangstemperatur des zugefüllten Gemische abhängen. In einem typischen Fall wird Wasser in der Größenordnung von 10 bis 20% der Dampfmenge durch Einspritzmittel zugefügt. Das Komprimieren auf diese Art und Weise bringt eine ganze Reihe von Vorteilen. So wird von allen zur Verfügung stehenden thermodynamischen Wegen derjenige beim erfindungsgemäßen Verfahren benutzt, der die geringste Energiezufuhr benötigt und damit eine optimale Energieersparnis garantiert. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist einfach, da ein zwischenzeitiges Abkühlen nicht erforderlich ist. Auch Probleme der thermischen Beanspruchung der Anlagenteile sind gering, da die Temperatur des abgegebenen Dampfes und der Temperaturanstieg im Kompressor gering sind.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Antriebsmaschine des Kompressors eine treibstoffverbrauchende Maschine wie beispielsweise ein Dieselmotor oder eine Gasturbine, die Auspuffgase mit einer Temperatur ausstoßen, die oberhalb der Temperatur des Prozeßdampfes liegt. Unter diesen Umständen wird,wie auch in dem vorerwähnten US-P 3 962 873,die sonst verlorene Wärme des Abgases dazu benutzt, zusätzlichen Prozeßdampf zu erzeugen.

Die Kombination dieser Merkmal führt zu einem Verfahren, das insgesamt einen guten Wirkungsgrad hat, bei dem also das Verhältnis der Wärmeenergien des Prozeßdampfes und des für die Durchführung des Verfahrens eingesetzten Treibstoffs^hoch ist. Darüberhinaus sind die Betriebskosten relativ gering, da eine Anlage zur Erzeugung einer stufenweisen Kompression mit zwischenzeitlicher Abkühlung nicht benötigt wird.

Durch die Erfindung wird also ein vom Wirkungsgrad her verbessertes Verfahren zur Erzeugung von anderweitig verwendbarem Prozeßdampf aus Dampf niedrigerer Temperatur und niedrigen Drucks angegeben, durch das es möglich ist. Dampf niedriger Temperatur und niedrigen Drucks der unter Verwendung von Abwärme bei der Metallgewinnung, aus Auspuffgasen und von ver-

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schiedenen industriellen Herstellungsprozessen gewonnen wird, in wirtschaftlicher Weise in einen für Weiterausnutzung geeigneten Zustand zu bringen. In diesem Zusammenhang werden Verfahrensschritte und Mittel zu deren Durchführung angegeben, mit deren Hilfe in effektiver Weise Druck und Temperatur von Dampf niedrigen Drucks erhöht wird.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 eine Blockbilddarstellung einer bevorzugten Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 2 ein idealisiertes Temperatur _ Entropie - Diagramm, aus dem die verschiedenen Wege ersichtlich sind, denen entlang Dampf niedrigen Drucks auf höheren Druck gebracht werden kann.

Figur 3 einen teilweise schematisierten Querschnitt durch einen Schneckenrotorkompressor des trockenjarbeitenden Typs zusammen mit der Zufuhreinrichtung in aus Gründen der Klarheit vereinfachter Darstellunqsweise.

Niederdruckdampf kann in Dampf höheren Druckes und höherer Temperatur über mehrere verschiedene thermodynamische Wege hergestellt werden. In Figur 2 sind 3 solcher Wege dargestellt, wobei Niederdruckdampf bzw. eine Mischung aus Wasser und Dampf ausgehend von einer Temperatur T 1 in einem Zustand gebracht werden, der durch den Punkt χ der Sättigungskurve gekennzeichnet ist. Der mit Ä^OiI^äA^^rV^r¥lnnbildHcht reinen (gesättigten) Dampf der Temperatur T 1. Der mit B bezeichnete Punkt kennzeichnet Wasser von der Temperatur T 1. Punkte die zwischen A und B liegen, z.B. der Punkt C kennzeichnen verschiedene Sweiphasenmischungen von Dampf und Wasser. Reiner Dampf der Temperatur T 1 ( Punkt A) kann auf dem Weg A, D, χ, in den Zustand des Punktes χ gebracht werden, von wo aus trockener gesättigter Dampf direkt auf seinen Enddruck (D) gebracht und die Endtemperatur hergestellt wird, in dem dem supererhitzten Dampf Wasser hinzugefügt wird. Als Alternative hierzu kann der-

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selbe Vorgang stufenweise abgewickelt werden. In diesem Fall wird gesättigter Dampf direkt entsprechend Punkt E komprimiert, dann wird Wasser zugeführt,um die Dampftemperatur entsprechend Punkt F zu verringern und die Vorgänge des Komprimierens und Hinzufügens von Wasser werden stufenweise (z.B. über die Punkte G,H,I) wiederholt, bis der Punkt X erreicht ist. Für beide Wege wird zusätzlich zu einem Kompressor eine Einrichtung benötigt, mit deren Hilfe mit Hinzufügen von Wasser die Temperaturreduzierung bei konstantem Druck erzielt wird. Der dritte Weg, auf dem gesättigter Dampf in einen Zustand gemäß dem Punkt X qebracht werden kann,erfordert das Hinzufügen von Wasser zum Dampf vor der Dampfkompression^daß dem Kompressor eine Mischung aus Dampf und Wasser zugeführt wird, wie dies durch Punkt C veranschaulicht ist. Daraufhin wird die Zweiphasenmischung komprimiert, wobei die Kompressionswärme dazu verwendet wird, die FlUssigkeitströpfchen zu verdampfen und die Temperatur des schließlich gesättigten Dampfes anzuheben.

Wie die Figur 2 zeigt, erfordert der Weg A,C,X den geringsten Arbeitsaufwand solange das Fluid im wesentlichen homogen bleibt und sofern während der Kompression ein thermisches Gleichgewicht herrscht. Es ist jedoch zu erwarten, daß während einer üblichen Kompression die Flüssigkeitströpfchen nicht vollständig verdampft werden und damit nicht im thermischen Gleichgewicht mit dem sie umgebenen supererhitzten Dampf stehen und zwar wegen des bekannten niedrigen Wärmeleitkoeffizienten von Dampf und der normalerweise kurzen Verweilzeit des Fluids im KSapressor. Wenn Mittel gefunden werden könnten, um die Kompression einer Zweiphasenmischung längs der Linie C-X durchzuführen, würde keine Zwischenstufe^ des Abkühlens erforderlich sein, ( wie sie z.B. auf dem Weg A,E,F,G,H,I,X durchschritten werden müssen). Es wäre dann außerdem die Ausströmtemperatur des gesättigten Dampfes minimal und die Thermodynamik der Änderung würde optimiert sein.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Kompressoren mit Schneckenrotoren des Typs, wie sie beispielsweise von der IngersοlhRand, Beloit Power Systems und Kobe Steel ge-

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liefert werden, in der Lage sind, mit großem Wirkungsgrad Zweiphasenwasser-Dampfmischungen zu komprimieren. Die Schraubenkompressoren haben ungeschmierte oder wassergeschmierte ineinandergreifende Matrix- und Patrixschneckenrotorendie sich in einem stationären Gehäuse drehen und durch ein Zeitsteuergetriebe gesteuert werden. Maschinen dieses Tyos stehen in einem weiten Spektrum verschiedener Größen zur Verfügung und sind im Zusammenhang mit den verschiedensten Gasen zur Anwendung gekommen. Sie sind durch einen guten Wirkungsgrad im Bereich von 50 bis 1OO% ihrer Maximalkapazität ausgezeichnet. Durchflußrate und Leistung sind zur Geschwindigkeit proportional und Geschwindigkeitsänderung ist die wirksamste Methode der Kapazitätsteuerung, öldurchflutete Eiheiten, die kein Zeitsteuergetriebe benötigen, dafür aber einen Ölfilm zwischen den Rotoren,der einen Rotorkontakt verhindert, können im Zusammenhang mit der Erfindung keine Anwendung finden. Wasserdurchflutete Maschinen und Maschinen mit trockerf>etriebenen Schrauben, die beide Zeitsteuergetriebe haben, können mit wenigstens geringen Wassermengen im Arbeitsraum arbeiten. Der Hauptunterschied zwischen den beiden letztgenannten Maschinentypen liegt in der Arbeitsgeschwindigkeit. Die wasserdurchflutete Maschine läuft mit etwa ein Drittel der Laufgeschwindigkeit der trockenlarbeitenden Maschine. In zugeführten Dampf ^befindliches Wasser führt zu einer Abdichtung am Einlaß des einen Endes solcher Schraubenkompressoren und verringert das Lecken.

Im Gegensatz hierzu sind übliche Zentrifugalkompressoren und hin-und herbewegliche Kompressoren nicht nutzbringend für diese Art der Kompression einzusetzen. Ein hin- und herbeweglicher Kompressor ist nicht brauchbar, da die Flüssigkeit an der Einlaßöffnung eine übermäßige Abnutzung der Ventile, Kolben und Ringe verursacht. Darüberhinaus würden Kompressoren mit nicht geschmierten Zylindern benötigt und diese sind ziemlich teuer. Zentrifugalkompressoren haben zwar die Fähigkeit, mit sehr großen Durchflußraten zu arbeiten, sie sind jedoch empfindlich gegen Wassertröpfchen, die Erosionen der Schaufeln verursachen. Darüberhinaus neigen Zentrifugalkompressoren zum

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Schwingen, wenn sie außerhalb bestimmungsgemäßer Bedingungen arbeiten.

Um Dampf mit vorgegebener Temperatur und vorgegebenen Druck ( z.B. Punkt X in Figur 2) zu erzeugen müssen drei Faktoren berücksichtigt werden: Das Mengenverhältnis von Wasser zu Dampf bei der Zufuhrmenge; das Temperaturgleichgewicht der Zufuhrmenge; das Kompressionsverhältnis des Kompressors. Oft enthält Niederdruckdampf schon etwas Wasser, so daß nur wenig zusätzliches Wasser beigegeben werden muß, wie dies andererseits notwendig ist, wenn es sich bei der Zufuhrmenge um gesättigten Niederdruckdampf handelt. Verfügbarer Niederdruckdampf kann durch einen Wassergehalt gekennzeichnet werden, der einen Punkt irgendwo auf der Linie B-r in Figur 2 entspricht. In diesem Fall sollten, sofern nicht ungesättigter Prozeßdampf zugelassen wird, Mittel vorgesehen sein, die das Flüssigkeits-Gas - Verhältnis der Zufuhrmenge derart ändern, daß es den gewünschten Wert erreicht, beispielsweise entsprechend Punkt C auf der Linie A-B. Sie sollten stromaufwärts der Kompressoreinlaßöffnung angeordnet sein, oder aber es sollte ein Kompressor höherer Kapazität verwendet werden. Im erstgenannten Fall kann eine der bekannten Techniken zum Verringern des Wassergehalts von Dampf ( wie ζ.Β.Zyklonen-scheidung) Anwendung finden, oder der nasse Dampf kann bei konstantem Druck erhitzt werden, um einen Teil des vorhandenen Wassers zu verdampfen. In Fällen, in denen die Temperatur und der Druck des Prozeßdampfes nicht kritisch ist und der Niederdruckdampf schon etwas Wasser enthält, ist es möglich die vorhandene Zweiphasenmischung einfach zu komprimieren.

Eine bevorzugte Methode, den Wassergehalt zu steuern, besteht darin, einen feinen Wasserstrahl direkt auf die Einlaßöffnung des Kompressors zusammen mit dem gesättigten Dampf zu richten. Bei dieser Arbeitsweise ist eine präzise Steuerung des Mengenverhältnisses von Dampf und Wasser möglich. Auch wenn der Dampf schon etwas Wasser enthält/ ist es oft zweckmäßig, dieses zu entfernen, bevor der Strahl darauf gerichtet wird.

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In der Figur 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Niederdruckdampf der einen Druck in der Größenordnung von O bis 1,125at aufweist, entweder gesättigt oder naß, wird von einer Quelle 10 aus über eine Umleitung 12 gefördert. Unter geeigneten Umständen kann die Industrieabwärme . beispielsweise in der Größenordnung von 178 ⁰C verwendet werden, um Niederdruckdampf in einem Abwärmebehälter 14 zu erzeugen und der sich ergebende Dampf kann dann der Leitung 12 zugeführt werden. Natürlich kann die Quelle 10 selbst ein solcher Abwärmebehälter sein. Der Niederdruckdampf in der Leitung 12 wird dann einer Wassergehaltssteuerung 16 ausgesetzt, die den Wassergehalt der Zufuhrmenge den Bedürfnissen entsprechend entweder vergrößert oder verringert und vorzugsweise eine homogene Mischung herstellt, üblicherweise ist es erforderlich, Wasser hinzuzufügen, ein typischer Wert liegt zwischen 10 und 20% des Gewichtes des gesättigten Teils der Zweiphasenmischung. Hierbei wird das Flüssigkeits-Gas-Mengenverhältnis beispielsweise entsprechend Punkt C in Figur 2fixiert. In einem solchen Fall gehören zu der Steuerung 16 Mittel, mit deren Hilfe ein Wasserstrahl auf die Einlaßöffnung 18 des Kompressors 20 gerichtet wird. Es wird vorzugsweise ein feiner homogener Wasserstrahl verwendet. Wegen des hohen Flächen-Massen-Verhältnisses des Wassers und wegen der Turbulenz in der Einlaßöffnung ergibt sich hierbei ein hoher Wärmetransfer und ein Arbeiten nahe des thermodynamischen Gleichgewichts. Demnach ist innerhalb des Kompressors 20 der Wasserbestandteil der Zufuhrmenge verdampft und der dann vorhandene im wesentlichen gesättigte Dampf wird komprimiert und erhitzt. Am Auslaß 34 des Kompressors steht Dampf einer bestimmten Temperatur und eines bestimmten Drucks zur Verfügung und wird dann über eine Leitung 36 seiner Bestimmung zugeführt. Der Druck des Dampfes kann innerhalb schmaler Grenzen verändert werden, und es ist möglich, entweder schwach ungesättigten oder supererhitzten Dampf zu produzieren.

Der Kompressor wird durch eine Antriebsmaschine 22 angetrieben, die bei 24 Treibstoff aufnimmt und bei 26 Abgase ausstößt. Die Abtriebswelle 28 der Antriebsmaschine 22 steht über ein geeignetes Getriebe 30 und der Antriebswelle 31 mit dem Kompressor

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in Verbindung. Wenn eine Antriebsmaschine hoher Umdrehungszahl wie beispielsweise eine Gasturbine verwendet wird, bewirkt das Getriebe - 30 eine Geschwindigkeitsreduzierung. Bei Verwendung von Antriebsmaschinen von relativ geringer Umdrehungszahl wie z.B. ein Dieselmotor, bewirkt das Getriebe 30 eine übersetzung und damit eine Vergrößerung der Geschwindigkeit der Welle 31.

Zwei Faktoren beeinflußen die Wahl der Antriebmaschinen: Der belastungsspezifische Treibstoffverbrauch und die Abgastemperatur. Die Wichtigkeit des belastungsspezifischen TreibstoffVerbrauchs ist offensichtlich. Die Abgastemperatur bestimmt,wieviel Energie in Form von Prozeßdampf unter Ausnutzung des Antriebsmaschinenabgases dem mit 32 bezeichneten Behälter entnommen werden kann. Es wird angenommen, daß Gasturbinen der am besten geeignete Kompressorantrieb sind und in einem Leistungsbereich von etwas 10OO bis 70OO PS zur Verfügung stehen. Es können aber auch Diesel- oder Gasverbrennungsmaschinen Verwendung finden. Dieselantriebsmaschinen werden mit Vorteil bis zu einer Leistungsgrenze von etwa 13 0OO PS eingesetzt. Turbinen bis zu dieser Leistungsgrenze weisen einen ungünstigen belastungsspezifischen Treibstoffverbrauch auf. Bei großen Turbinen ist dieser spezifische Leistungsverbrauch besser, aber immer noch nicht so günstig wie bei Dieselmaschinen. Trotz des günstigeren Treibstoffverbrauchs von Dieselmaschinen sind jedoch Gasturbinen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung von Interesse, da die Turbinenverluste in den hohen Temperaturen der Abgase liegen, die jedoch direkt dazu verwendet werden können, Hochdruckdampf herzustellen. Im Gegensatz hierzu wird ungefähr ein Drittel der Abwärme bei dem Dieselantrieb an den Kühler abgegeben, der typischerweise eine Temperatur von etwa 95° aufweist, die zu niedrig ist, um für die Wärmerückgewinnung wirtschaftlich eingesetzt werden zu können. Das bedeutet, daß bei vergleichbarer Maschinenleistung das Abgas einer Gasturbine etwa dreimal soviel Dampf erzeugt wie das Abgas einer Dieselmaschine. Wegen der hohen Temperatur des Abgases, die typischerweise beträchtlich über der angestrebten Temperatur des Prozeßdampfes liegt, kann das Abgas zum Erzeugen von Dampf ausgenützt werden, der im wesentlichen dieselbe Temperatur und denselben Druck aufweist, wie

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sie am Auslaß 34 des Kompressors 20 herrschen und dieser Dampf kann dementsprechend über eine Leitung 33 der Leitung 36 zugeführt werden.

In Figur 3 ist ein Schneckrotorkompressor des trocken arbeitenden Typs dargestellt, wir er mit Vorteil Anwendung im Zusammenhang mit der Erfindung finden kann. Dieser Kompressor weist eine Antriebswelle 31 und ein Antriebsgetriebe 38 auf, das ein Getriebe 40 einer ersten Stufe und ein Getriebe 42 einer zweiten Stufe des Kompressors antreibt. Jede dieser Stufen ist mit einem Gehäuse 48 versehen, das ein Paar von ohne Flüssigkeitszugabe ineinandergreifender Schraubenrotoren 5o,52 enthält. Die Rotoren sind mit Stummelachsen 54 und 56 versehen, die drehbar in Lagern 58 und 60 gelagert sind. Die Rotoren 50 treiben die Rotoren 52 über Zeitausgleichgetriebe 52,53. Da die Übertragung der Bewegung vom Rotor 50 zum Rotor 52 keine aufeinanderarbeitende Berührung der Schnackenrotoren selbst erfordert, erübrigt sich auch ein Ölfilm auf denselben. Jede, der Stufen ist mit einer Einlaßöffnung 18 und mit einer Auslaßöffnung 34 versehen. Die Einlaßöffnung 18 in der ersten Stufe 44 bildet eine Düse 62, die mit Wasser beschickt wird und über die ein feiner Strahl direkt in das innere der Stufe gerichtet wird. Eine Verbindungsleitung 64 verbindet den Auslaß 34 der ersten Stufe mit dem Einlaß 18 der zweiten Stufe. Der Prozeßdampf wird vom Kompressor aus über die Leitung 36 weitertransportiert. Gegebenenfalls kann an der Einlaßöffnung 18 der zweiten Stufe 46 eine zweite nicht dargestellte Einspritzdüse vorgesehen sein.

Im Betrieb der beschriebenen Maschinen tritt gesättigter Niederdruckdampf in die Einlaßöffnung 18 der Kompreseorstufe 44 zusammen mit einem feinen Wasserstrahl ein, der durch die Düse 62 zugeführt wird. Wegen des großen Verhältnisses von Oberfläche zur Masse des Strahls und wegen der Turbulenz innerhalb des Kompressors wird das Wasser innerhalb der Stufe 44 verdampft.

Der Dampf oder eine Dampf- Wasser-Mischung bewegt sich dann der Verbindungsleitung 44 entlang und tritt über den Einlaß 18 in die zweite Stufe 46 ein, wo eine weitere Kompression stattfin-

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det. Über die Leitung 36 wird dann Prozeßdampf von gegebener Temperatur und gegebenen Drucks abgegeben.

Als Beispiel für die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Systems wird angenommen, daß unter niedrigem Druck stehender Dampf von etwa 1,03 at in Prozeßdampf von 5,34 at umgewandelt werden soll. Es ist hierzu eine Gasturbine mit einem Wirkungsgrad von 33 % mit einen Schneckenrotorkompressor gekoppelt, der einen Wirkungsgrad von 75 % aufweist. Pro 0,3 kWh der Turbine zugeführter Treibstoffenergie ergibt sich eine Energieaufteilung von 0,096 kWh Abtriebsenergie und 0,19 kWh Auspuffenergie. Ein Gefäß, das durch die Auspuffgase geheizt wird, kann etwas 213 g Dampf erzeugen. Es werden ungefähr 0,039 kWh benötigt, um 453 g Dampf von 0 auf 0,34 at zu bringen, da jedoch der Kompressor mit einem Wirkungsgrad von 75 ■* arbeitet, sind etwa 0,05 kWh erforderlich. Dies bedeutet, daß die 0,096 kWh Abtriebsarbeit ungefähr 848 g Dampf erzeugen können, und daß die Gesamtmenge des 5,34 at aufweisenden unter einem Aufwand von 0,3 kWh erzeugten Dampfes 1061g beträgt.

Im Gegensatz hierzu könnten mit 0,3 kWh,die zum Erhitzen eines Behälters bei 80% Wirkungsgrad aufgebracht werden, lediglich 362 g Dampf erzeugt werden. Das bedeutet, daß auf die erfindungsgemäße Weise dreimal soviel Dampf erzeugt werden kann, wie bei bekannten Betrieb einer Dampferzeugungsanlage.

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-if'

L e e r s e i t e

Claims

DIPL. ING. HEINZ BAKOFHLF München,

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PATENTANWALT ^fa

Aktenzeichen: Mein Zeichen: ρ 2975

Patentansprüche

Verfahren zum Erzeugen von Prozeßdampf gegebener Temperatur und gegebenen Drucks durch Komprimieren von Dampf mit diesbezüglich niedrigeren Werten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zweiphasengemisch aus Wasser und Darpf der Einlaßöffnung (18) eines Schneckenrotorkompressors (20) zugeführt wird, der ein Paar ineinandergreifender und über Zeitausgleichsgetriebe (51,53) angetriebener Schneckenrotoren (50, 52) aufweist,und daß der Wasseranteil des Gemischs in diesen Kompressor (20) zum Verdampfen gebracht wird, so daß im wesentlichen gesättigter Nutzprozeßdampf entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneckenrotorkompressor (22) vom trockenjarbeitenden Typ ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte Temperatur und ein bestimmter Druck des Prozeßdampfes durch entsprechende Einstellung des Wasser-Dampf-Massenverhältnisses des dem Kompressor zugeführten Gemischs erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 unter Verwendung eines Kompressors, der von einer Antriebmaschine betrieben wird, die Abgas von einer Temperatur ausstößt, die oberhalb der Temperatur des Prozeßdampfes liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaswärme auf das verwendete Wasser übertragen wird, um zusätzlichen Prozeßdampf zu erzeugen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmaschine eine Gasturbine verwendet wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmaschine ein Dieselmotor oder ein anderer Verbrennungsmotor verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dampf mit den erwähnten niedrigeren Temperatur- und Druckwerten solcher verwendet wird, der in einem Abwärmebehälter entsteht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß der Wassergehalt des verwendeten, niedrigere Temperatur- und Druckwerte aufweisenden Dampfes zwischen 10 und 20 Gewichtsprozenten liegt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt des dem Kompressor zugeführten Gemischs dadurch eingestellt wird, daß auf die Einlaßöffnung (18) des Kompressors (20) ein feiner Wasserstrahl gerichtet wird.
10. Anordnung zur Erzeugung von gesättigtem Prozeßdampf mit bestimmten thermodynamischen Kennwerten aus Niederdruckdampf, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

Einen Schneckrotorkompressor (20) mit einer Einlaßöffnung (18), einer Auslaßöffnung (34) und einem Paar :ineinandergreifender Schneckenrotoren (50,52,) die über ein Zeitausgleichsgetriebe (50,53), getrieben werden,

eine Leitung (12), über die der Dampf niedriger Temperatur von einer Quelle in (10,14) aus an den Einlaß (18) des Kompressors (20) gelangt.

eine Wassergehaltssteuerung (16), die dem Einlaß (18) des Kompressors (20) zugeordnet ist, und die dort eine bestimmte Dampf-Wassermischung herstellt,

eine Leitung (36) zum Abtransportieren des Prozeßdampfes vom Kompressorauslaß f34) aus,

eine Antriebsmaschine (22) zum Antrieb des Kompressors (20), die Auspuffgase hoher Temperatur erzeugt, sowie

durch Mittel (32) Dampf -erzeugen, die durch die Abgaswärme der Antriebsmaschine (22) betrieben werden.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneckenrotorkompressor (20) vom trocken/arbeitenden Typ ist.
12. Anordnung nach Anspruch 1O oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmaschine (22) eine Gasturbine ist.
13. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmaschine (22) ein Dieselmotor oder ein anderer Verbrennungsmotor ist.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle des Dampfes niedrigerer Temperatur und niedrigeren Drucks ein durch Industrieabwärme aufgeheizter Behälter dient.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Wassergehaltssteuerung (16) Mittel gehören, mit denen ein Wasserstrahl auf den Dampf niedrigerer Temperatur und niedrigeren Druckes gerichtet wird.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Ausrichten eines Wasserstrahls eine Düse (62) dient, die so angeordnet ist, daß über sie ein feiner Wasserstrahl in die Einlaßöffnung (18) des Kompressors (20) gerichtet wird.
17. Verfahren zur fenergiesparenden Erzeugung von Prozeßdampf einer geeigneten Nut ζ temperatur und eines geeigneten "lutzdruckes aus dem-gegenüber eine niedrigere Temperatur und eine niedrigeren druckaufweisenden Dampf, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

A. Es wird ein Kompressor (20) mit einem Paar ineinandergreifender und durch ein Zeitausgleichsgetriebe (51,53) angetriebener Schneckenrotorai(50,52) verwendet, der mit einem Einlaß

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(18) und mit einem Auslaß (34) versehen ist,

B. es wird Dampf niedrigeren Druckes und niedriqerer Temoeratur verwendet, dessen Wasserqehait se groß ist, daß das Wasser-Dampfgemisch nach Verdampfung und Komprimierung durch den
Kompressor (20) Prozeßdampf mit den aewünschten Eigenschaften ergibt,

C. das Wasser-Dampf-Gemisch gemäß Merkmal B wird dem Einlaß
(18) des Kompressors (20) zugeführt,

D. die flüssige Komponente der erwähnten Mischung wird innerhalb des Kompressors (20) verdampft und

E. der Prozeßdampf wird am Auslaß des Kompressors (20)
abgenommen.

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