DE7902504U1

DE7902504U1 - Hydropneumatischer umsteuerbarer generator

Info

Publication number: DE7902504U1
Application number: DE19797902504U
Authority: DE
Original assignee: Messier SA
Current assignee: Messier SA
Priority date: 1978-02-02
Filing date: 1979-01-30
Publication date: 1979-07-12
Also published as: DE2903478A1; GB2014234B; FR2416341A1; US4315403A; IT1123972B; CH632317A5; IT7912441A0; GB2014234A; BE873416A; FR2416341B1

Description

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Patentanwälte

MESSIER S.A.

38, Avenue Pierre 1er de Serbie

F-75OO8 Paris (Frankreich)

Hydropneutnatischer umsteuerbarer Generator

Die Erfindung betrifft einen hydropneümatischen umsteuerbaren Generator-

Die gegenwärtig verwendeten Geräte zur Rückgewinnung von Wärme unterteilen sich in zwei grosse Gruppen.

Die erste Gruppe bezweckt eine in Form von unmittelbar verwendbarer mechanischer oder elektrischer und/oder Uärmeonergie erfolgende Rückgewinnung von nicht unmittelbar ver-

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wendbarer oder sogar schädlicher Wärmeenergie, die in allgemeiner Form bei der Herstellung von elektrischer oder mechanischer Energie aus einem Brennstoff freigesetzt wird oder die Verluste bildet, mit denen die Herstellung von Wärmeenergie beim Verbrauch behaftet ist.

Die nicht verwendbare oder schädliche Wärmeenergie stellt eine Wärmequelle dar, der die Wärme entnommen wird, die am Boiler einer mit Dampf im geschlossenen Kreislauf arbeitende η Maschine vom Treib- oder Primärfluid aufgenommen wird. Das Primärfluid kann Wasser sein, dessen Dampf eine Turbine antreibt und dann in einem Kondensator kondensiert wird, der durch Wärmeübergang zum Beispiel an ein Heizsystem gekühlt wird. Die an der Welle der Turbine verfügbare mechanische Energie kann zum Antrieb eines Wechselstromgenerators, einer Pumpe, sogar eines Verdichters, z. B. einer Wärmepumpe, verwendet werden, wodurch die zurückgewonnene elektrische oder mechanische Energie den Verbrauch der Hersteller an die Wärmequelle bildender schädlicher oder nicht verwendbarer Wärmeenergie vermindern kann. Bei den dieser ersten Gruppe zugerechneten Anlagen besteht ein wesentliches Element aus einer Anordnung Turbine-Wechselstromgenerator, Turbine-Pumpe oder Turbine-Verdichter.

Die zweite Gruppe bezweckt eine Umformung der Wärme einer vorher gekühlten kalten Quelle in eine vorher erhitzte warme Quelle, was durch Wärmepumpen erfolgt, deren Verdampfer von der kalten Quelle stammende Wärme aufnimmt und deren Kondensator die Wärme zur warmen Quelle überträgt. Das Kaitefluid der Wärmepumpe wird dabei zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter durch einen von einem Energie verbrauchenden Motor angetriebenen Verdichter verdichtet. Bei den zu dieser zweiten Gruppe gerechneten Anlagen besteht ein wesentliches Element nnc Λρτ" ΑηητΛηηηο· MntnT-Tprrli ch^fip.

Während die bekannten Geräte aus Turbine-Wechselgenerator,

Turbine-Pumpe, Turbine-Verdichter oder Motor-Verdichter den Nachteil haben, aus zwei durch eine Übertragungswelle verbundenen gesonderten Elementen zu bestehen. Es stellen sich somit Probleme der Leckverluste vom Innenraum jedes dieser beiden Elemente zur Aussenseite am Austritt der Welle, was ein Zurückgreifen auf Abdichtungsvorrichtungen (Dichtungen und/oder Labyrinthe) erfordert, die einen insbesondere durch Reibung erfolgenden mechanischen Verschleiss zeigen.

Überdies sind diese Anordnungen mit zwei gesonderten Elementen voluminös und weisen hierdurch ein geringes Leistungsgewicht auf.

Schliesslich kann das Treibfluid der Anordnung Wasserdampf sein, wobei eines der Elemente gemäss einem Carnot'schen-Kreisprozess arbeitet. Die Erzielung eines annehmbaren Wirkungsgrads setzt die Verwendung von Dampf mit grossen Temperturgefallen zwischen dem Boiler und dem Kondensator voraus. Da dieser Hochtemperaturdampf korrosiv ist und unter hohem Druck in den Leitungen zirkuliert, gelangt man zur Verwendung von teuren Edelmetallen zur Herstellung wenigstens eines der Elemente der Anordnung.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer aus einem hydropneumatischen umsteuerbaren Generator bestehenden Anordnung, die als Turbine-Pumpe oder Motor-Verdichter arbeiten kann und insbesondere zur industriellen oder im Haus erfolgenden Rückgewinnung von Wärme bestimmt ist, die vorteilhaft der Zustandsänderung eines Treibfluids entnommen wird, das Wasser oder vorzugsweise ein Eältefluid mit niedrigem Siedepunkt sein kann, wobei dieser Generator die oben angegebenen Nachteile nicht aufweist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand des Önspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbindungen der Erfindung sind Gegenstand der UnteranSprüche.

Der Generator nach der Erfindung wird als hydropneumatischer Generator bezeichnet, da er aus zwei Elementen besteht, von denen das eine, eine auch als hydraulischer Motor arbeitende Pumpe, von einer hydraulischen Strömung durchquert wird, und von denen das andere, eine auch als Axial-Verdichter arbeitende Axial-Turbine, von einem Luftstrom durchquert wird.

Der Generator nach der Erfindung lässt ohne das Erfordernis von Dichtungen keine Leckverluste nach aussen auf Grund des einteiligen Mantelrohrs zu,in dem die Pumpe und die Turbine untergebracht sind. Auf Grund des dichten Wälzlagers, das vom in unmittelbarer Nähe der Pumpe angeordneten Stator getragen wird, entstehen keine merklichen hydraulischen Leckverluste der Pumpe zur Turbine.

Die besondere Konstruktion der Turbine und deren Kupplung mit der Pumpe innerhalb eines einzigen Mantelrohrs verleihen der auf diese Weise hergestellten Anordnung eine hervorragende Kompaktheit, weshalb der hydropneumatische Generator ein gutes Leiftungsgewicht hat. Überdies haben die Beschaufelungen -eis identische Profile, wodurch die Fertigung der Rotoren und Statoren vereinfacht wird, was die Kosten des Generators vermindert.

Bei seiner Desonders vorteilhaften Anwendung bei der Rückgewinnung von Wärme, die der Zustandsänderung eines Kältefluids mit niedrigem Siedepunkt entnommen wird, ermöglicht der hydropneumatische Generator durch eine an die Stufenzahl der Turbine, die Höhe der Beschaufelungen und deren Profil angepasste Kombination eine Rückgewinnung von Wärme, die einem Dampf von niedriger Temperatur entnommen wird, der zwischen dem Einlass und dem Auslass der Turbine ein niedriges Temperaturgefälle hat. Dies gestattet zusätzlich zum innewohnenden Vorteil vom Standpunkt der Benutzung aus eine Herstellung des Generators aus Materialarten

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wie gewöhnlichen Legierungen und Stahlsorten.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin '

zeigt: I

Fig. 1 im wesentlichen einen Längsschnitt eines hydropneumati- j

sehen Generators nach der Erfindung; i

Fig. 2 ein Schema eines Geräts zur Rückgewinnung von Wärme
nach der Erfindung, bei dem ein hyd;roprie?umatischer

Generator nach Fig. 1 al si Turbine-Punipe arbeitet. 5;

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Gemäss Fig. 1 enthält ein hydropneumatischer Generator nach der Erfindung ein Mantelrohr 1, das unmittelbar in eine Leitung 2 für ein Treibfluid mittels an den Enden vorgesehener Flansche 3 und 4- angeschlossen werden kann. Diese Flansche können an das Mantelrohr 1 mitteis konvergierender oder divergierender Elemente angeschlossen werden, wenn die Leitung 2 einen vom Mantelrohr 1 abweichenden Durchmesser hat. Innerhalb des Mantelrohrs 1 befinden sich eine auch als Motor arbeitende hydraulische volumetrische (zwangsläufig fordernde) Pumpe 5 und eine auch als Axial-Verdichter arbeitende Axial-Turbine 6.

Die Turbine 6 hat im dargestellten Fall zwei Stufen, von denen jede aus zwei Schaufelkränzen besteht, von denen der eine, der Stator, gegenüber dem Mantelrohr 1 feststeht, während der andere, der Rotor, innerhalb des Mantelrohres gedreht wird. Die Statoren befinden sich dabei bezüglich den Eotoren auf der Seite der Pumpe 5- Jeder Stator 7 und 8 gehört zur ersten bzw. zur zweiten Stufe, ist mit seinem Umfang mit dem Mantelrohr 1 verbunden und trägt ein Wälzlager 9 bzw. 10, das für die Welle 11 der Turbine 6 ein Lager bildet. Die mit den Statoren 7 und 8 abwechselnd angeordneten Eotoren 12 und 13 sind auf der Welle 11 der Turbine 6 verkeilt und auf dieser Welle axial positioniert mittels einer Schulter 14 der Welle 11, eines Abstandsstücks 15, Wälzlagern 9 und 10 und Elementen 16 und 17, die auf die Enden der Welle 11 unter gegebenenfalls einer Zwischenschaltung einer Beilagsscheibe 18 geschraubt sind.

Das ebenfalls von einem Abstandsstück 19, das mit dem Stator 7 verbunden ist und an dem das Gehäuse der Pumpe 5 befestigt ist, gehaltene Wälzlager 9 ist ein dichtes Wälzlager, das die Leckverluste begrenzt, die von der Pumpe 5 zur Turbine 6 hin entstehen können. Das den Turbinenstufen zugewandte Innenprofil des Mantelrohres 1 verläuft divergierend, wobei die Schaufelkränze 7, 12, 8, 13 einen entsprechend zunehmenden Durchmesser haben. Gemäss dem nicht geschnittenen Teil von Fig. 1 sind

die Statoren 7₅ 8 und die Rotoren 12, 13 jeweils mit Schaufelkränzen 20 und 21 mit identischen Profilen,aber umgekehrter Verkeilung versehen. An der Rückseite der Turbine 6 ist eine Haube 22 vorgesehen, die von am Mantelrohr 1 befestigten Halte flügeln 34- getragen wird.

Die Welle 11 der Turbine 6 ist unmittelbar mit der von Wälzlagern 24 und 25 gelagerten Welle 23 der hydraulischen Pumpe gekuppelt, die vor und in der Verlängerung der Turbine 6 angeschlossen ist.

Die Pumpe 5 kann eine Zahnradpumpe sein- Um aber einen hydropneumatisehen Generator zu erhalten, der sich an Treibfluide mit unterschiedlichen Dampfeigenschaftes anpassen kann, ist die Pumpe 5 vorteilhaft eine Pumpe mit veränderlicher Durchsatzmenge, etwa eine Pumpe mit einer Trommel, mit axialen Kolben 26 und mit einer neigbaren Platte 27, deren Neigung steuerbar ist. Diese Pumpenart ist allgemein bekannt und wird ™ nicht im einzelnen beschrieben. Ein Verschluss 28 wird von Trägern 29 gehalten, die in Höhe des vorderen Flansches 3 am Mantelrohr 1 befestigt werden können. Dieser Verschluss ist auf die Vorderseite der Pumpe 5 geschraubt, deren Gehäuse von einer im allgemeinen kegelstumpfförmigen vorderen Haube 33 umschlossen ist, die mit dem gegenüberliegenden konvergierenden Profil des Mantelrohrs 1 einen sich verengenden Einlass in die Turbine 6 bildet. Die Pumpe 6 wird über eine Einlassleitung 31 gespeist und leitet das unter Druck stehende hydraulische Fluid über eine Auslassleitung 32 zurück, wobei diese Leitungen 3I, 32 das Mantelrohr 1 im wesentlichen radial durchqueren. Schliesslich ist das Gehäuse der Pumpe 5 an seinem Unterteil durch eine Öffnung durchquert, die mit der Aussenseite des Generators über einen Ablass 33 zur Entleerung des von inneren Leckverlusten der Pumpe 5 stammenden hydraulischen Fluids in Verbindung steht.

Der oben beschriebene Generator arbeitet in folgender Weise: Ein durch Wasserdampf oder den Dampf eines Kältefluids gebil-

detes Treibfluid, gegebenenfalls mit niedrigem Siedepunkt, strömt in der Leitung 2 in der iig. 1 von links nach rechts und durchquert unter Drehung der Rotoren 12, 13 der Turbine 6 den Generator axial. Diese Drehung wird von der Welle 11 auf die Welle 23 der Pumpe 5 übertragen, die unter Druck über die Leitung 32 ein von der Leitung 31 zugeführtes flüssiges oder dampfförmiges Sekundärfluid fördert.

Bei Umkehrung des Zyklus kann der Generator als Motor-Verdichter-Gruppe arbeiten: Das Treibfluid wird raster Druck über die Leitung 32 eingeführt und dreht den hydraulischen Motor 5, dessen Welle 23 die Welle 11 des Verdichters 6 für ein den Generator· durchquerendes Fiuiu antreibt.

In Verbindung mit Fig. 2 wird

Gerät beschrieben, bei dem in vorteilhafter Weise ein hydropneumatischer Generator nach der Erfindung gegen eine mit einem Wechselstromgenerator verbundene Dampfturbine ausgetauscht ist. Fig. 2 zeigt bei 40 eine Anordnung von durch ■ einen Elektromotor 41 angetriebenen Rotationsmaschine einer Druckerei. Frisch bedrucktes Papier 42 wird in einem Trockenofen 43 aufgenommen, durch den das Papier durch von einem

Elektromotor 46 angetriebene Walzen 44 gefördert wird. Die ; Luft im Trockenofen 43 wird durch elektrische Widerstände

erhitzt und umspült das bedruckte Papior, Di?.· durch die Trocknung des bedruckten Papiers entstehenden verschmutzten und verunreinigten heissen Dämpfe und Gase werden über ein Auslassrohr 47 zurückgewonnen, in dem exn Roinigungsofen '<-8 \ der Bauart Katalyse- oder Pyrolyseofen und ein Wärmetauscher

_t 49 angeordnet sind, der von den aus dem Reinigungsofen 48

austretenden heissen und reinen-kämpfen und Gasen umspült wird. Der Wärmetauscher 49 bildet den Boiler oder Verdampfer eines

f Treibfluids, dessen Dampf das den hydropneumatischen Generator

50 nach der Erfindung durchquerende Primärfluid bildet, das die Turbine des Generators antreibt, bevor es in einem Konden-

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sator 51» ζ. B. der Luftbauart, kondensiert, wo das Treibfluid ^?

erneut zum Boiler oder Verdampfer 49 geleitet wird. Die Pumpe '}

des Generators 50 saugt ein von einem Vorratsbehälter 59 stam- f

mendes hydraulisches Fluid an und speist mit diesem unter §

Druck stehenden Fluid hydraulische Motoren 52, 53i deren

Wellen über Kupplungen 54, 55 Tiit den Wellen der Elektro- *

motoren 41, 45 gekuppelt werden können. Die Kupplungen 54, 55 i·

werden von Regel- und Steuerblöcken 56 bzw. 57 gesteuert, ! die die Stromzufuhr für die Elektromotoren 41, 45 über eine

Leitung 58 herstellen und die Kupplungen 54, 55 in Abhängig- ,,

keit vom am Einlass der hydraulischen Motoren 52, 53 ermit- f·

telten hydraulischen Druck steuern. |

Die an den Wellen der hydraulischen Motoren 52, 53 verfügbare ^!

und von der Wärmerückgewinnung am Wärmetauscher 49 stammende mechanische Energie ist wenigstens teilweise für den Antrieb

der Rotationsmaschinen 40 und der Walzen 44 verfügbar, was ?

insoweit den elektrischen Energieverbrauch der Elektromotoren f

41, 45 wirtschaftlich macht. Gleichzeitig wird die Wärmebe- |.

lastung sehr stark vermindert, da die ausgestossenen Dämpfe ^

und Gase rein und merklich gekühlt sind. ί

Die Anwendungen des hydropneumatisehen Generators sind nicht |

auf die oben beschriebene Anlage beschränkt. Man könnte ebenso I

gut die Motoren oder Turbinen, Pumpen und Wechselstromgenera- |

toren der DE-OS 28 US 313 (FR-OS 2 388 38Ο), FR-OS 2 400 678 |

und BE-PS 87Ο 858 der Inhaberin durch den Generator nach der |?

Erfindung ersetzen, wobei dessen Verwendung als Turbine- |

Pumpe-Gruppe oder als Motor-Verdichter-Gruppe bei den in \ mehreren dieser Patentanmeldungen beschriebenen Anlagen möglich ist.

Der hydropneumatisehe Generator nach der Erfindung weist in ganz allgemeiner Form folgende Vorteile auf: eine grosse Kompaktheit, aus der sich ein gutes Leistungsgewicht ergibt, eine grosse Einfachheit, aus der sich geringe Herstellungskosten

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ergeben, und die Fähigkeit zur Aufnahme von Dämpfen mit niedri gen Temperaturen bei den meisten gegenwärtig bekannten Anlagen zur Rückgewinnung von Wärmeenergie.

Claims

Patentanwälte * :

BEETZ-LAMPRECHT-BEEt^:
München 22 - Steinsdorfstr! 'iV

0116-29.233G

19. April 1979

Ansprüche

iβ Als Turbine—Pumpe oder Motor—Verdichter arbeitender

hydropneumati scher umsteuerbarer Generator,

dadurch gekennzeichnet, dass eine auch als hydraulischer volumetrischer Motor arbeitende hydraulische volumetrische Pumpe (5) und eine auch als Axial-Verdichter arbeitende Axial-Turbine (6) in ihrer Verlängerung miteinander verbunden und durch ihre jeweiligen Wellen (23; 11) miteinander geikuppelt sind zu ihrem unmittelbaren Antrieb innerhalb eines einteiligen Mantelrohrs (1), das mittels an den Enden befindlicher Flausche (3, 4·) unmittelbar an eine Leitung (2) für ein im Gaszustand oder in der Dampfphase vorliegendes Primärfluid anschliessbar ist, und

dass das Mantelrohr (1) von einer Einlassleitung (31) und einer Auslassleitung (32) für ein in der Flüssigkeits- oder Dampfphase vorliegendes und die Pumpe (5) speisendes Sekundärflrid im wesentlichen radial durchquert ist (Fig. 1).

2. Generator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Turbine (6) wenigstens zwei mit einer Beschaufelung (20, 21) versehene Kränze, (7, 8', 12, 13) auf-

0116-(7802 846)
No. 669

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\'· weist, von denen der eine (7, 8) oder Stator an der

{,-■ Seite der Pumpe (5) liegt, mit seinem Umfang am Mantel -

^; rohr (1) befestigt ist und ein dichtes Wälzlager (9, 10)

i_: zur Lagerung der Welle (11) der Turbine (6) trägt, und

\ von denen der andere (12, 13) oder Rotor ■ an der Welle

■ · (11) befestigt ist, und

dass die Beschaufelungen (20, 21) des Rotors (12, 13) und des Stators (7, 8) identische aber umgekehrt

verkeilte Profile haben (Fig. 1).

fr 3- Generator nach Anspruch 1 oder 2,

jj dadurch gekennzeichnet,

I dass die Pumpe (5) von der Bauart mit veränderlicher

I Durchsatzmenge ist mit axialen Kolben (26) und einer

! Platte (27) mit veränderlicher Neigung zur Anpassung

I des Generators an Primärfluide mit unterschiedlichen

Dampfeigenschaften (Fig. 1).

4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3i

dadurch gekennzeichnet,

dass die Pumpe (5) mit einem Gehäuse versehen ist, das an seinem Unterteil von einer Öffnung durchbohrt ist, die mit der Aussenseite des Generators über eine Ablassleitung (33) in Verbindung steht zur Entleerung von von inneren Leckverlusten der Pumpe (5) stammendem Hydraulikfluid (Fig. 1).