DE3209467A1 - Luft-turbine mit thermischem kamin-saugzug zur nutzung der waerme-energie von abgefackelten gasen - Google Patents

Luft-turbine mit thermischem kamin-saugzug zur nutzung der waerme-energie von abgefackelten gasen

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DE3209467A1 DE19823209467 DE3209467A DE3209467A1 DE 3209467 A1 DE3209467 A1 DE 3209467A1 DE 19823209467 DE19823209467 DE 19823209467 DE 3209467 A DE3209467 A DE 3209467A DE 3209467 A1 DE3209467 A1 DE 3209467A1
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Description

  • "Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug
  • zur Nutzung der \Järme-Energie von abqefackelten Gasen" Besonders in Erdöl-Feldern aber auch in zahlreichen Chemiebetrieben werden z.Zt. noch große Mengen von brennbaren Gasen, die nicht oder nur umständlich genutzt werden können, an der Mündung von hohen Rohren in der freien Atmosphäre verbrannt bzw., wie man sagt, abgefackelt.
  • In abgelegenen Erdöl-Feldern scheitert eine Verwertung, beispielsweise durch Reinigung und Fortleitung oder Verflüssigung sowie auch durch Verbrennung in einem Dampfkessel zur Strom-Erzeugung, meist an den dafür erforderlichen hohen Investitionen und auch am Mangel an Fach-Personal und der für den betr. Ort notwendigen Infra-Struktur.
  • Erfindungsgemäß wird eine Anlage beschrieben, die es ermöglicht, die Wärme-Energie derartiger Gase mit robusten Bau-Komponenten, die relativ geringe Investitionen und wenig Wartung erfordern, zu nutzen.
  • Zu diesem Zweck wird die Wärme-Energie der Gase in Strömungs-Energie verwandelt, die eine Luft- bzw. Gas-Turbine antreibt.
  • Dieser Effekt wird dadurch erreicht, daß die für die Gas-Verbrennung erforderliche Luft kanalisiert an die Flamme herangeführt bzw. durch thermischen Auftrieb angesaugt wird und daß die zuströmende Luft Bewegungsenergie an eine Turbine abgibt, die im Luft-Eintrittskanal eingebaut ist.
  • Zweckmäßigerweise könnte die kanalisierte Luft-Führung durch einen Kamin oder Schacht erfolgen, der das Gas-Rohr umgibt und bis an die Mündung des Gas-Rohres reicht oder darüberhinaus ragt, wodurch die Effektivität verbessert wird.
  • Die Luft könnte auch in einem Kanal oder Rohr geführt werden, das bis zu einer gewissen Höhe parallel zum Gas-Rohr verläuft und dann in der Nähe der Mündung an die Flamme herangeführt ist bzw. dort in eine Gas-Luft-Mischvorrichtung führt.
  • Die Luft kann mit geringem oder größerem Luft-Überschuß zugeführt werden je nach Beschaffenheit des Gases, der zulässigen Temperaturen im Kamin und nach den Erfordernissen einer Optimierung des Auftriebs.
  • Rohr-Mündung und Kamin-Austritt können zur Verstärkung der Strömungsgeschwindigkeit als Düse ausgebildet sein, wobei die Düse am Ende des Gas-Rohres zusätzlich auch als Ejektor-Düse gestaltet sein kann zur Ansaugung eines Teiles der Luft im engen Querschnitt für eine Mischung mit dem Gas vor der Flamme.
  • Die Luft- ibzw. Gas-Turbine kann als Axial- oder Radial-Turbine, ein oder mehrstufig, ausgebildet sein mit dem Vorteil einer relativ einfachen und kosten-günstigen Bauart, oder auch, für den Fall da3 vorerhitzte Luft zugeführt wird, in der Bauweise als Abgas-Turbine.
  • Für große Luftmengen könnte es vorteilhaft sein, statt nur einer Turbine mit großem Rad-Durchmesser am Fuße des Kamins zwi oder mehrere Luft-Eintrittskanäle mit eingebauten Turbinen anzuordnen, die im Parallel-Betrieb dem gleichen Zweck, z.B. Antrieb von Elektrc Generatoren dienen können oder auch unterschiedlichen Zwecken, wie z.B. Antrieb von Generator und Verdichter oder Pumpe.
  • Zum Schutz des Kamins im Bereich der Flamme und darüber können in diesem Bereich außen kÜhl-Rippen zur Wärme-Abfuhr an dic-Umgebungsluft angebracht sein. Es könnte auch ein Teil der im Kamin aufströmenden Luft vor der Flammen durch seitliche Öffnungen im Kamin in einen außen angebrachten Kühl-Mantel geführt werden.
  • Sollte aus thermo-dynamischen oder aus thermo-chemischen Gründen eine Erwärmung der Luft vor der Flamme vorteilhaft sein, könnte die Vorwärmung sinem gas-befeuerten Wärmetauscher vor oder hinter der Turbine erfolgen. In Gegenden mit starker Sonnen-Strahlung könnte eine Erwärmung auch durch Solarstrahlungs-Absorber erfolgen, beispielsweise in der Form von Rippen, die am Kamin in Längsrichtung angebracht sind und deren außen liegende Flächen die Solar-Strahlunc aufnehmen, während die inneren Flächen die dorthin geleitete Wärme an die vorbeistreichende Luft abgeben.
  • Als Variante der reinen Luft-Turbine könnte im Kamin-Eintrittskanal auch amine Gas-Verbrennungsturbine, die mit Gas und Luft betrieben wird, eingebaut sein, wobei die Flamme im Kamin für den Saugzug au dem Luft-Überschuß der Turbine und/oder aus einem separaten Einlaß die erforderliche Verbrennungsluft erhält. Der Turbine könnte G3s und Luft im Normal-Zustand oder mit Überdruck zugeführt werden. Der thermische Kamin-Saugzug erzeugt ein zusätzliches Druck-Gefalle.
  • Die Regelung von Drehzahl und Leistung der Turbine in den verschiedenen Bauarten kann durch Drossel- oder Drall-Regler an der Turbine und/oder durch Regel-Organe für die Gas-Menge und Misch-Luft erfolgen.
  • Es besteht auch die Möglichkeit, im oberen Teil des Kamins hinter der Flamme LJärmetauscher anzuordnen zur Erhitzung von Luft, Wasser, Dampf oder auch anderen Medien, wie z.B. Öl oder daraus gewonnene andere Flüssigkeiten. Dadurch könnte die Gesamt-Wärmenutzung bzw.
  • der Gesamt-Jirkungsgrad gesteigert werden0 Die Abt.1 zeigt das senkrecht stehende Gas-Rohr (R), worin unten das G; (G) einströmt und oben an der Düse (RD) mit der Flamme (F) verbrennt. Das Gas-Rohr ist vom Mantel-Kamin (K) umhüllt, worin in dem Zwischenraum (Z) die Luft (L) ausströmt. Die Luft tritt am Kamin-FuG durch den Luft-Eintrittskanal (LK) ein und treibt die Luft- bzw.
  • Gas-Turbine (T) an, wozu noch die Leitschaufeln (TL) und als Beispiel ein angekuppelter Elektro-Generator (E) eingezeichnet sind.
  • Die Abb.2a zeigt, wie am Fuße des Kamins (K) zwei Luft-Eintrittskanäle (LK1) und (LK2) angeordnet sind.
  • Die Abb.2b zeigt als weiteres Beispiel die Anordnung von vier Luft-Eintrittskanälen (LK1) - (LK4).
  • Die Abb.3a zeigt die Ausbildung der Mündung des Gas-Rohres (R) als Strömungsdüse (RDs) innerhalb des Kamins (K).
  • Die Abb. 3b zeigt die Ausbildung der Mündung des Kamins (K) als Strömungsduse (KDs), wobei hier die Mündung des Gas-Rohres (R) als einfache kegelige Düse (RD) dargestellt ist.
  • Die Abb.4a zeigt Kühl-Rippen (KR) an der oberen Mündung des Kamins(K) Die Abb.4b zeigt einen Kühl-Mantel (KM) an der oberen Mündung des Kamins (K). In den Zwischenraum (ZK) strömt ein Teil der Luft (L) durch die Öffnungen (0) ein Die Abb.5 zeigt am Kamin (K) Rippen (SR) zur Erwärmung der Luft (L) durch Solar-Strahlung (So), wobei der äußere Teil der Rippen (SRa) die Strahlung absorbiert und der innere Teil (SRi) die Wärme an die im Kamin aufströmende Luft abgibt.

Claims (14)

  1. Patentanspriche: Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug zur Nutzung der Wärme-Energie von abgefackelten Gasen dadurch gekennzeichnet, daß an der oberen Austritts-Öffnung eines senkrecht stehenden Gas-Rohres, wo ein Brenngas, vorzugsweise Erdgas oder ein Chemie-Gas, verbrannt wird, die Verbrennungsluft ohne oder mit Luft-ber schuß kanalisiert, beispielsweise durch einen das Gas-Rohr mit Zwischenraum umgebenden Mantel-Kamin, an die Gas-Flamme herangeführt bzw. durch thermischen Auftrieb der aus dem Kamin am oberen Ende austretenden heißen Gase angesaugt wird, wobei die Verbrennungsluft am unteren Ende des Mantel-Kamins durch einen Luft-Eintrittskanal einströmt, in dem eine Luft- bzw. Gas-Turbine durch die strömende Luft angetrieben wird.
  2. 2) Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug nach Anspruch 1 dadurc gekennzeichnet, daß am unteren Ende des Luft-Kanals, beispielsweise Mantel-Kamins, zwei oder mehrere Turbinen mit separaten Luft-Eintrittskanälen für Parallel-Betrieb angeordnet sind zum Antrieb gleicher oder verschiedener angekuppelter Maschinen.
  3. 3) Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Luft- bzw. Gas-Turbine ein- oder mehrstufig als Axial- oder Radial-Turbine oder in der Bauart der Abgas-Turbinen ausgeführt ist, wobei die Drehzahl- und/oder Leistungs-Regelung mittels Drossel-Regler für Luft/oder Gas erfolgt oder mittels Drall-Regler an der Turbine.
  4. 4) Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug nach Anspruch 1, 2, oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine einen Elektro-Generator, einen Verdichter oder eine Pumpe, beispielsweise eine Brunnen-Pumpe zur Wasser-Versorgung, antreibt, wobei die Pumpe auch indirekt durch einen an den Generator angeschlossenen Motor angetrieben werden kann.
  5. 5) Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Luft vor oder nach der Turbine in einem gas-befeuerten Wärmetauscher vorerwärmt wird.
  6. G) LuFt-Turbine mit therrnischem Kamin-Saugzug nach einem oder mehreren der Anspruche 1 - 5 dadurch gekennzeichnet, daß die im Luft-Kanal bzw. Kamin aufströmende Luft durch Solar-Strahlung vorerwärmt wird, beispielsweise durch Rippen-Uärmetauscher, wobei die Rippen derart in den Luft-Kanal bzw. -Kamin eingesetzt sind, daß die Außen-Flächen von der Solar-Strahlung erwärmt werden und die an die Innen-Flächen geleitete Wärme an die vorbeiströmende Luft abgegeben wird.
  7. 7) Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 6 dadurch gekennzeichnet, daß die obere Austrittsöffnung des Gas-Rohres als Düse zur Vergrößerung der Gas-Geschwindigkeit bzw. des austretenden Gas-Strahles ausgebildet ist, wobei die Düse zusätzlich auch als Ejektor-Düse ausgebildet sein kann zur Ansaugung eines Teils der außen vorbei strömenden Luft und inneren Vermischung mit dem Gas.
  8. 8) Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 7 dadurch gekennzeichnet, daß die obere Austrittsöffnung des Kamins für die heißen Verbrennungs-oder Misch-Gase als Düse zur Vergrößereung der Gas-Geschwindigkeit bzw. des austretenden Gas-Strahles ausgebildet ist.
  9. 9) Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Austrittsöffnung am Gas-Rohr bzw. die Flamme derart unter der Kamin-Mündung bzw. in einem unteren Bereich des Mantel-Kamins angeordnet ist, daß im darüber liegenden Bereich des Kamins eine vollständige Verbrennung des Gases stattfinden kann.
  10. 10) Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 9 dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Mantel-Kamins im Bereich der Flamme und darüber außen an der Wand Kühlrippen angesetzt sind.
  11. 11) Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 10 dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der im Mantel-Kamin aufströmenden Luft unterhalb der Flamme durch Öffnungen nach außen in einen Zwischenraum zwischen Mantel-Kamin und einem außen angebrachten Kühl-Mantel geleitet wird.
  12. 12) Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 11 dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Brenngases durch einen von der Luft-Turbine direkt oder indirekt über Elektro-Motor angetriebenen Verdichter oder Gebläse unterhalb der Flamme aus dem Gas-Rohr abgesaugt und einer anderen Verwendung zugeleitet wird.
  13. 13) Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug nach einem óder mehreren der Ansprüche 1 - 12 dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Teil des Gases, das bereits unter Druck steht oder vorverdichtet wird, eine Verbrennungs-Gasturbine im Luft-Eintrittskanal betrieben wird, deren Abgase mit dem eigenen Luft-Überschuß und/oder zusätzlicher Luft für die Gas-Rohr-Flamme in das Innere des Kamins eingeleitet werden.
  14. 14) Luft-Turbine mit thermischem Kamin-Saugzug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 13 dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Flamme im Kamin Wärmetauscher eingebaut sind zur Übertragung von fühlbarer Wärme der Verbrennungs- oder Mischgase an andere Medien, wie beispielsweise Luft, Wasser, Dampf oder Öl bzw. dessen Derivate.
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