DE4409338C2 - Dampferzeuger - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, der im wesentlichen aus einer Heizeinrichtung und aus mindestens einem Dampfkessel besteht, welcher in Wärmekontakt mit der Heizeinrichtung steht, wobei der Kessel von einer Flüssigkeit durchströmt wird, welche Wärmeenergie von der Heizeinrichtung (über die dazwischenliegende Kesselwand) aufnimmt und dadurch verdampft.

Derartige Dampferzeuger sind aus vielen Bereichen der Technik bekannt. Dampferzeuger in Verbindung mit Antriebseinrichtungen, die gemeinhin auch als "Dampfmaschinen" bezeichnet werden, dürften zu den ältesten, mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftmaschinen überhaupt zählen.

Als Antriebsmaschinen wurden jedoch derartige Dampfmaschinen aufgrund eines zu geringen Wirkungsgrades nach und nach fast vollständig verdrängt, mit Ausnahme einiger weniger Dampflokomotiven, die in dem einen oder anderen Eisenbahnnetz noch Dienst tun. Ansonsten werden Dampferzeuger jedoch im großtechnischen Maßstab für Dampfturbinen, vor allem bei der Stromerzeugung in Kraftwerken, umfangreich verwendet. Das Grundprinzip bei der Strom­ erzeugung mittels Brennstoffen besteht darin, daß eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, welche eine Flüssigkeit, im allgemeinen Wasser, in einem Rohrsystem oder Kessel erhitzt, so daß das Wasser schließlich verdampft und als überhitzter Dampf unter einem mehr oder weniger großen Überdruck in eine Turbine geleitet wird und diese antreibt. Die Turbine wiederum ist mit einem Generator gekoppelt, der dann den gewünschten Strom erzeugt.

Die Wärmequelle bzw. Heizeinrichtung ist dabei grundsätzlich von untergeordneter Bedeutung. Je nach Art des verwendeten Brennstoffes für das Erhitzen des Wassers und die Erzeugung von Dampf spricht man von Kohle-, Öl-, Gas- oder Kernkraftwerken. Durch die großtechnische Auslegung und Optimierung sowohl der Dampferzeugungssysteme als auch der nach­ geschalteten Turbinen ist es inzwischen möglich geworden, mit derartigen modernen "Dampfmaschinen" einen Wirkungsgrad in der Größenordnung von 40% zu erreichen, wobei dieser Wirkungsgrad definiert ist als das Verhältnis der erzeugten elektrischen Energie zu der eingesetzten Primärenergie, d. h. dem in Wärmeenergie umgesetzten Energieinhalt des jeweiligen Brennstoffes. Dieser Wirkungsgrad läßt sich noch steigern im Rahmen der sogenannten Kraft-Wärmekopplung, bei welcher die ansonsten bei jedem Energieumwandlungs­ prozeß unvermeidliche Abwärme noch für Heizungszwecke genutzt und somit der nutzbaren Energie zugerechnet wird.

Bisher war es jedoch nicht möglich, die im großtechnischen Maßstab gewonnenen Erkenntnisse auf kleinere und einfachere Systeme zu übertragen, um auch bei solchen kleineren Systemen ähnlich hohe Wirkungsgrade zu erzielen. Obwohl beispielsweise intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten z. B. an Dampflokomotiven über einen Zeitraum von insgesamt etwa 100 Jahren betrieben wurden, ist es nicht gelungen, deren Wirkungsgrad über einen Wert von ca. 10% hinaus anzuheben. Dies liegt unter anderem an dem Arbeitsprinzip herkömmlicher Dampf­ maschinen als Verdrängersystem, wobei durch den Dampfdruck ein Kolben in einem Zylinder bewegt wird und nach einem entsprechenden Hub ein Ventil geöffnet wird, um den Dampf abzulassen und die Rückbewegung des Kolbens zu ermöglichen. Gegenüber einem solchen Arbeitsprinzip kann man mit Dampfturbinen einen wesentlich höheren Wirkungsgrad erzielen. Der Wirkungsgrad von Turbinen wird vor allem dann günstiger, wenn das Antriebsmedium unter hohem Druck und in genügender Menge zur Verfügung steht, um hohe Laufge­ schwindigkeiten der Turbine zu ermöglichen. Bei einem mit Wasserdampf arbeitenden System kann der erforderliche hohe Druck nur erzeugt werden, wenn auch die Temperatur ent­ sprechend hoch und der Dampf somit deutlich überhitzt ist. Dies stellt wiederum erhebliche Anforderungen an das Material der Turbine, insbesondere deren Schaufeln und die Lager der Turbinenräder. Die moderne Werkstofftechnik ist jedoch inzwischen in der Lage, auch relativ kleine, für Wasserdampf geeignete Turbinen herzustellen, welche die erforderliche Temperatur- und Druckfestigkeit besitzen. Insbesondere sind hochtemperaturbeständige Turbinenschaufeln aus Keramikmaterial schon seit längerem bekannt.

Desweiteren ist aus der Offenlegungsschrift DE 32 24 581 A1 ein Doppelrohrdampferzeuger bekannt, welcher die Form eines relativ komplexen Rohrsystems mit doppelwandigen Rohren hat, wobei in dem zylindrischen Raum zwischen den Rohren das zu erhitzende Wasser hindurchströmt. Dabei ist eine Reihe von Rohren parallel geschaltet und die Rohre werden von der Innen- und der Außenseite her beheizt. Die etlichen parallel angeordneten Rohre und vor allem die nachgeschaltete Dampf-/Wassertrennung bzw. -trommel zieht relativ große Abmessungen dieser bekannten Dampferzeugungseinrichtung nach sich. Sie ist daher in dieser Form nur für einen stationären Kessel geeignet. Auch der aus der deutschen Patentschrift 4 32 115 bekannte Dampferzeuger für hohen Druck mit einem stehendem Außenkessel mit ringförmigem Wasserraum und mit einem zylindrischen Innenkessel, der durch Heizrippen, die von Heizgasen bestichen werden, verbunden ist, eignet sich nicht für den mobilen Einsatz.

Was allerdings bisher fehlte, war ein Dampferzeuger, welcher bei vergleichsweise kleinen Abmessungen und insofern auch geringer Gesamtleistung (im Vergleich zu Kraftwerken) dennoch eine ausreichende Menge Dampf unter genügend hohem Druck und damit auch bei genügend hoher Temperatur zur Verfügung stellen konnte.

Gegenüber dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, welcher auch bei relativ kleinen Abmessungen, welche beispielsweise den Einbau eines solchen Dampferzeugers mindestens in den Motorraum eines Lkw, eventuell auch eines Pkw ermöglichen, in der Lage ist, in relativ kurzer Zeit eine genügende Menge Dampf unter einem hinreichend hohen Druck bereitzustellen, um z. B. ein Kraftfahrzeug mit einem Wirkungsgrad von mehr als 10% antreiben zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Einrohrkessel, wobei das Rohr mit einer Heizeinrichtung nur von außen beheizt wird, wobei im Inneren des Rohres ein Verdrängungskörper angeordnet ist, welcher einen erheblichen Teil des Rohrvolumens einnimmt und damit das Verhältnis der Menge der Flüssigkeit zur heizbaren Oberfläche des Rohres reduziert, und wobei das Rohr von einer Hochdruckpumpe gespeist von einer Flüssigkeit durchströmt wird, die Wärmeenergie von der Heizeinrichtung aufnimmt und dadurch verdampft.

Als Dampferzeuger, die relativ große Mengen an Dampf unter genügend hohem Druck bereitstellen können, haben sich nämlich sogenannte Einrohr-Kessel bewährt, bei denen der Kessel aus einem Rohr besteht, das einen relativ großen Querschnitt hat und somit auch nur einen geringen Strömungswiderstand darstellt. Ein Nachteil dieser Dampferzeuger liegt jedoch darin, daß sie eine relativ große Menge an Flüssigkeit bzw. Wasser enthalten, die sich nur sehr langsam erwärmen läßt, wobei außerdem eine entsprechend starke Wärmequelle bereitgestellt werden muß. Insbesondere läßt sich in einem solchen System nur mit Mühe hoch überhitzter Dampf unter hohem Druck erzeugen. Demgegenüber sorgt der Verdrängungskörper gemäß der vorliegenden Erfindung dafür, daß das Verhältnis von Flüssigkeit zu wirksamer Heizoberfläche des Kessels reduziert wird, so daß bei gleicher Heizleistung die in dem Kessel bzw. Rohr enthaltene Flüssigkeit sehr viel schneller erhitzt wird und verdampft und damit auch leichter überhitzt und auf hohen Druck gebracht werden kann.

Das erfindungsgemäße Dampferzeugungssystem kann ergänzt werden durch eine Turbine, die durch den unter hohem Druck aus dem Kessel bzw. entsprechenden Zuleitungen aus­ strömenden Dampf angetrieben wird und die ihrerseits vorzugsweise einen Generator zur Stromerzeugung antreiben sollte. Der Strom kann dann entweder gespeichert oder auch unmittelbar verbraucht werden, z. B. durch einen Elektromotor, welcher ein Fahrzeug antreibt. Die Wirkungsgrade von Elektromotoren erreichen mittlerweile Werte von über 90%, so daß bei der Umwandlung der elektrischen in mechanische Energie keine erheblichen Verluste mehr auftreten. Der erfindungsgemäße Dampferzeuger läßt sich so klein und kompakt herstellen, daß eine komplette Anlage, bestehend aus Heizeinrichtung, Dampfkessel, Turbine, Generator, gegebenenfalls Pufferbatterien und Elektromotor durchaus im Motorraum eines nicht allzu kleinen Fahrzeuges unterzubringen ist. Dabei ist klar, daß aufgrund des gegenüber Ver­ brennungsmotoren völlig unterschiedlichen Arbeitsprinzips nicht notwendigerweise die Umwelt schädigende Brennstoffe benutzt werden müssen, sondern z. B. auch Wasserstoff verbrannt werden kann, so daß als Verbrennungsprodukt lediglich Wasser bzw. Wasserdampf entsteht.

Bevorzugte Varianten der Erfindung haben außerdem zumindest ein Wärmerückgewinnungs­ system in Form eines sogenannten Abgasvorwärmers, d. h. eines Wärmetauschers, welcher dem noch erhebliche Wärmemengen enthaltenden Abdampf mindestens einen Teil seiner Wärme entzieht und beispielsweise an das später ohnehin im Kessel zu erhitzende Wasser abgibt, so daß dieses schon vorgewärmt in den Kessel eintreten kann.

Im übrigen ist es auch möglich, das System als geschlossenen Kreislauf zu betreiben, d. h. den aus der Turbine austretenden Wasserdampf zu kondensieren und wieder dem Kessel zuzuführen.

Bei der Leistungssteigerung der erfindungsgemäßen Anlage ist die drastische Reduzierung des Verhältnisses von zu verdampfender Flüssigkeit (Wasser) zu der wirksamen Heizoberfläche von entscheidender Bedeutung, da erst hierdurch nach Inbetriebnahme des Systems relativ schnell ein genügend hoher Druck und eine genügend hohe Temperatur erreicht werden, um die anschließende Turbine wirkungsvoll betreiben zu können.

Dabei läßt sich der Wirkungsgrad des Systems noch weiter verbessern, wenn außerdem eine Pumpe für den zwangsweisen Durchsatz der Flüssigkeit bzw. des Dampfes vorgesehen ist. Eine solche Pumpe sollte vorzugsweise eine Hochdruckpumpe sein, die einen Kolben mit einem Schwingmotor aufweist, wie dies beispielsweise von sogenannten Farbspritzpistolen bekannt ist. Diese können einen genügend hohen Druck erzeugen und können überdies auch mit der von dem System erzeugten Energie selbst angetrieben werden. Damit kann ständig das erforderliche Wasser in den Kessel nachgeliefert werden, dessen Volumen nunmehr durch den eingesetzten Verdrängungskörper reduziert ist, so daß das darin vorhandene Wasser relativ schnell verdampft und über die Turbine entweicht.

Beim Einrohrkessel sollte das Rohr selbstverständlich möglichst platzsparend und die Wärmequelle optimal nutzend angeordnet sein. Üblicherweise ist das Rohr, aus dem der Kessel besteht, in Form einer einlagigen oder auch mehrlagigen Spule gewickelt. Eine Brennerflamme beaufschlagt dann das schraubenförmig gewickelte Rohr bzw. die Rohre vom Inneren der so gebildeten Spule her. Diese Spule kann sich gegebenenfalls zur optimalen Energienutzung bis in den Abgasbereich des Brenners erstrecken.

Der Verdrängungskörper ist vorzugsweise ein Körper mit zylindrischem Querschnitt und dabei insbesondere ein Hohlkörper, damit er nicht selbst große Mengen an Wärmeenergie speichert. Weiterhin sind Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt, bei welchen der Verdrängungs­ körper Zentrierelemente hat, deren, vom Zentrum des Verdrängungskörpers aus gesehen, am weitesten außen liegenden Oberflächen einen Abstand haben, welcher dem halben Durchmesser des Kessels bzw. Rohres entspricht.

Derartige Zentrierelemente können einzelne Noppen, Stege oder Rippen sein, die jedoch auf jeden Fall unterschiedliche Winkelpositionen bezüglich des Zentrums des Verdrängungskörpers besitzen müssen, um als Zentrierelemente wirken zu können. Beispielsweise können mehrere Reihen von Noppen oder auch durchgehende Rippen achsparallel und jeweils um 30 bis 120° um den Umfang des Verdrängungskörpers versetzt an diesem angeordnet sein.

Bei einer anderen Variante der Erfindung können derartige Rippen oder Stege oder auch Noppenreihen spiralförmig bzw. entlang einer Schraubenlinie um einen zylindrischen Ver­ drängungskörper herum verlaufen und so ebenfalls als Zentrierelemente wirken. Für das Wasser bzw. nach dem Erhitzen für den Dampf steht dann der Zwischenraum zwischen dem Ver­ drängungskörper und der inneren Wand des Kessels bzw. Kesselrohres in radialer Richtung und zwischen den Zentrierelementen in Umfangsrichtung zur Verfügung. Dieser unterbrochene Ringraum hat im Vergleich zu seinem Volumen eine relativ große Oberfläche, insbesondere eine relativ große Oberfläche in Richtung der Wärmequelle bzw. Heizeinrichtung.

Dies macht den erfindungsgemäßen Dampferzeuger insbesondere auch für Kraftfahrzeuge geeignet, da die Energie zum Fahren eines Fahrzeuges möglichst schnell zur Verfügung stehen muß und lange Aufwärmphasen unerwünscht sind. Zweckmäßigerweise wäre ein solcher Dampferzeuger für den Einsatz in Kraftfahrzeugen auch in Verbindung mit einer Pufferbatterie zu verwenden, die zu Beginn einer Fahrt die erforderliche Energie für einen elektrischen Antriebsmotor bereitstellen könnte und anschließend, nachdem der Dampferzeuger arbeitet, über die damit angetriebene Turbine und den Generator wieder geladen werden könnte. Es versteht sich, daß eine solche Batterie erheblich kleiner sein könnte als die großen Batteriepa­ kete, die man derzeit für Elektroautos vorsieht. Eine 12 oder 24 Volt Batterie mit einer Kapazität zwischen 50 und 100 Ampère-Stunden dürfte als Pufferbatterie vollständig ausreichen und wäre nur unwesentlich größer als die Starterbatterien in herkömmlichen Kraftfahrzeugen. Die Heizeinrichtung könnte beispielsweise mit Wasserstoff betrieben werden, wobei es grundsätzlich möglich sein sollte, den Kessel als Einrohr-Kessel mit Verdränger so auszugestalten und in einen entsprechenden Wasserstoffbrennraum einzusetzen, daß nach dem Start innerhalb eines Zeitraumes von ein bis zwei Minuten bereits Dampf unter genügend hohem Druck zur Verfügung steht, um die Turbine und den damit gekoppelten Generator betreiben zu können.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der da­ zugehörigen Figur. Es zeigen:

Fig. 1 einen Kessel, der als Einrohr-Kessel ausgebildet ist mit einem darin angeord­ neten, zylindrischen Verdränger,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Kessel gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 den Querschnitt einer alternativen Ausführungsform.

Schematisch angedeutet ist in der Fig. 1 die Zufuhr von Wärmeenergie durch eine als Pfeil B dargestellte Brennerflamme. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen Wasserstoffbrenner, wobei das Verdampferrohr 1 so durch den Brennraum verläuft, daß es möglichst großflächig von der Brennerflamme beaufschlagt wird. Das Rohr kann ein Metallrohr aus einer möglichst korrosionsbeständigen und wärmefesten Legierung oder aber auch ein hochfestes und relativ dünnwandiges Keramikrohr aus einem modernen Keramikmaterial sein, welches nicht nur den auftretenden Temperaturen, sondern vor allem auch den auftretenden Drücken standhält. Es versteht sich, daß auch ein hier nicht dargestelltes Überdruckventil vorhanden ist, welches bei Überschreiten kritischer Druckwerte Wasserdampf aus dem Kessel abläßt. In dem zylin­ drischen, rohrförmigen Kessel ist ein ebenfalls zylindrischer Verdränger und zwar im wesentlichen konzentrisch zu dem Kesselrohr 1 angeordnet. Der Verdränger 2 kann entweder ein Massivkörper oder aber ein Hohlkörper sein, wobei ein Hohlkörper den Vorteil hätte, daß seine Wärmekapazität geringer wäre und das Aufheizen des Systems etwas schneller erfolgt. Für die Gesamtenergiebilanz, insbesondere im Dauerbetrieb des Systems, spielt es jedoch nur eine geringe Rolle, ob der Verdränger als Hohlkörper, d. h. als Rohr ausgebildet ist oder aber aus Vollmaterial. Das ringförmige Restvolumen 3 nimmt eine dementsprechend geringe Menge Wasser auf, das zudem noch relativ nahe an der von der Brennerflamme beaufschlagten Rohrwand entlangströmt. Schematisch angedeutet sind außerdem einige Zentrierelemente 4 in Form von Noppen, welche den Verdrängungskörper 2 in einer zentrierten Position halten und somit eine Flüssigkeits- oder Dampfschicht konstanter Dicke in der Nähe der Wand des Kesselrohres bereitstellen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform können derartige Noppen oder "Zentrierelemente" auch exzentrisch angeordnet werden, wie dies in Fig. 3 im Schnitt dargestellt ist. Eine solche Variante kommt vor allem in Frage bei Beaufschlagung des Kesselrohres mit einer Brenner­ flamme ausschließlich von einer Seite her. In diesem Fall wäre eine etwas größere Wasser­ menge dort konzentriert, wo auch die meiste Wärmeenergie nachgeliefert wird, während in dem Bereich, den die Flammen nicht unmittelbar erreichen und wo eine Heizung nur durch Konvektion der Verbrennungsgase erfolgt, die Wasserschicht entsprechend dünner ist. Die genaue exzentrische Position des Verdrängers 2 kann dabei von Fall zu Fall variieren, der Verdränger muß also nicht an der in der Figur unten rechts oberen Wand des Kesselrohres 1 anliegen.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung des Verdrängers im Zentrum eines Kesselrohres 1.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Dampferzeugers ermöglicht dessen Einsatz als sehr kleine, kompakte Baueinheit auch in solchen Bereichen, in denen nach bisherigen Vorstellungen die Energieerzeugung über Dampfturbinen als zu unwirtschaftlich erschien. Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch die schnelle Bereitstellung von Dampf unter hohem Druck aufgrund der besonderen Ausgestaltung eines Kessels bzw. Kesselrohres erheblich höhere Wirkungsgrade zu erzielen sind, als dies bisher für möglich gehalten wurde.

Bezugszeichenliste

BBrennerflamme

1

Verdampferrohr, Kesselrohr

2

Verdränger

3

Restvolumen

4

Zentrierelemente

Claims (13)

1. Dampferzeuger, der als Einrohrkessel ausgebildet ist,
wobei das Rohr mit einer Heizeinrichtung nur von außen beheizt wird,
wobei im Inneren des Rohres ein Verdrängungskörper angeordnet ist, welcher einen erheblichen Teil des Rohrvolumens einnimmt und damit das Verhältnis der Menge der Flüssigkeit zur heizbaren Oberfläche des Rohres reduziert,
und wobei das Rohr von einer Hochdruckpumpe gespeist von einer Flüssigkeit durchströmt wird, die Wärmeenergie von der Heizeinrichtung aufnimmt und dadurch verdampft.

2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr zu einer einlagigen oder mehrlagigen Spule gewickelt ist.

3. Dampferzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper ein zylindrischer Körper ist.

4. Dampferzeuger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ drängungskörper ein Hohlkörper ist.

5. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Zentrierelemente vorgesehen sind, deren bezüglich des Zentrums des Verdrängungs­ körpers radial am weitesten außen liegenden Oberflächen einen Abstand haben, der gleich dem Innendurchmesser des Kessels ist.

6. Dampferzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierelemente Noppen, Stege oder Rippen sind, die bezüglich des Zentrums bzw. der Zentralachse des Verdrängungskörpers in unterschiedlichen Winkelpositionen angeordnet sind.

7. Dampferzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierelemente achsparallel verlaufen.

8. Dampferzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierelemente spiralförmig umlaufend angeordnet sind.

9. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckpumpe einen von einem Schwingmotor betriebenen Kolben aufweist.

10. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben wird.

11. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine von dem erzeugten Dampf angetriebene Turbine, vorzugsweise zum weiteren Antrieb eines Generators und/oder Elektromotors vorgesehen ist.

12. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher für die Rückgewinnung der Restwärme des Abdampfes vorgesehen ist.

13. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator für die Wiedergewinnung der Flüssigkeit in einem Kreislaufbetrieb vorgesehen ist.