EP2981686A1 - Energiewandler-system und baugruppen hierfür - Google Patents

Energiewandler-system und baugruppen hierfür

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Publication number
EP2981686A1
EP2981686A1 EP14714714.4A EP14714714A EP2981686A1 EP 2981686 A1 EP2981686 A1 EP 2981686A1 EP 14714714 A EP14714714 A EP 14714714A EP 2981686 A1 EP2981686 A1 EP 2981686A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
heat
energy
boiler
gas turbine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14714714.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Axel Widenhorn
Thilo KISSEL
Daniel BARUNOVIC
Dominik LEBKÜCHNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Duerr Systems AG
Original Assignee
Duerr Systems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Duerr Systems AG filed Critical Duerr Systems AG
Publication of EP2981686A1 publication Critical patent/EP2981686A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates to an energy converter system with an energy conversion plant providing a heat conducting fluid flow from a first fluid, and a heat transfer system in the form of a boiler connected to the energy conversion plant the fluid flow is in a heat transfer relationship. Moreover, the invention also relates to a method for providing electrical and thermal energy with an energy converter system according to the preamble of the independent claims.
  • a hot water boiler is understood in particular to mean a device for heating a useful medium or useful fluid, preferably a boiler, for providing a useful medium or useful fluid, in particular a liquid, heated relative to an initial state, in particular to an ambient temperature.
  • a hot water boiler Under a hot water boiler is in particular a device for heating a Nutzmediums or Nutzfluids, preferably a boiler for providing a relation to an initial state, especially an ambient temperature strongly heated, preferably heated to near a boiling point useful or useful fluid, in particular a liquid understood.
  • a hot or hot water boiler only a small portion of the useful medium or useful fluid undergoes a phase transition, in particular sublimation or evaporation. Under "a small part” is thereby in particular understood that at most an unsaturated vapor phase of the working medium or Nutzfluids arises.
  • the useful medium or useful fluid in its liquid phase is provided as provided discharge fluid at a boiler outlet for subsequent use.
  • a steam boiler is understood to mean, in particular, a device for heating, heating or bringing about an at least partial phase transition of a useful medium, in particular a fluid, preferably a liquid.
  • a partial phase transition means, in particular, liquefaction, evaporation and / or sublimation of parts of the useful medium.
  • a preferred working fluid or useful fluid may be water, ammonia, thermal oil, suitable hydrocarbons or another suitable medium which undergoes a phase transition, in particular from a liquid to a gaseous phase, in a boiler by supplying heat at a given temperature.
  • Boilers of the types described above can be designed as a waste heat boiler, tubular water boiler or large-scale water boiler, whereby combined boiler with a heat recovery zone, pipe water zone and / or large-area zone can be useful.
  • Under a waste heat boiler is in particular a boiler understood, which is heated by a waste heat of an upstream, heat generating unit and does not require its own heating burner. The same applies to a waste heat zone.
  • a tubular water boiler is understood in particular to mean a boiler in which the useful medium or useful fluid, preferably water, is passed through a piping system in the boiler and is thereby heated or heated.
  • a tubular water boiler or a pipe water zone can also be referred to as a water heater.
  • a large-scale water boiler or a large area in particular a boiler or understood a zone in the boiler, in which a reservoir of working fluid or Nutzfluid, preferably water is provided, is introduced into the heat for heating.
  • the heat can preferably be transferred to the useful medium or useful fluid in the reservoir by means of heat radiation and / or contact heat transfer and / or convection and / or diffusion from a heat source, for example a boiler draw or line system.
  • a reservoir is understood in particular to be a volume in which the useful medium or useful fluid is predominantly stored or stored in a stationary state.
  • the prior art energy converter systems for the simultaneous provision of mechanical and thermal energy are already known, which is usually a system for converting energy with a burner unit for the conversion of chemical energy into heat energy by exothermic oxidation of a fuel with an Oxi have dationffen.
  • the prior art energy converter systems include a heat and power unit for converting a portion of the heat released in the energy conversion plant into mechanical energy and a heat transfer system for transferring a second portion of the released heat to a payload medium.
  • the mechanical energy is often used to drive a generator for downstream conversion of the mechanical energy into electrical energy, as this can be advantageously transported over long distances and / or distributed.
  • the working medium is a fluid, preferably a liquid, which is excited by the heat input from the second part of the heat released to a phase transition, in particular comes to a liquefaction, evaporation and / or sublimation of a portion of the Nutzmediums which can then be made available to downstream processes.
  • Known applications of this type are motor thermal power plants with a typical 40:55 (60) split between the provided mechanical / electro-mechanical and thermal energy content in brackets without transmission losses. However, if larger amounts of thermal energy are needed, these energy converter systems reach their limits.
  • Another disadvantage of the motor cogeneration units is the almost equal distribution of the thermal energy provided between an exhaust gas flow, that is, a heat-conducting gaseous fluid, and a coolant flow, that is, a heat-conducting liquid fluid.
  • the usable thermal energy is thus divided into two partial flows, the thermal energy of which can not or at least not without additional measures and associated significant losses as total thermal energy of the engine cogeneration plant can be used.
  • the energy converter system according to the invention with the features of the main claim has the advantage of being able to provide high thermal and mechanical power densities and / or high quality. This has the advantage of being able to make better use of available space with regard to the power to be provided, since the entire energy converter system can be made extremely compact for a given rated power.
  • the inventive energy converter system includes - a system for the implementation of energy and
  • energy eg chemical energy from a fossil energy source
  • the plant for the implementation of energy is also a heat transfer system.
  • heat is transferred to a fluid.
  • the plant for the conversion of energy provides a first heat-conducting fluid flow.
  • the boiler stands with the plant for the implementation of energy via the heat-conducting fluid flow in a heat transfer relationship.
  • Heat is transferred from the plant to the implementation of energy to the heat transfer system.
  • the plant is designed to convert energy as a gas turbine plant, preferably a micro gas turbine.
  • the system in this case has a gas turbine burner whose exhaust gases for supplying and transmitting mechanical energy to a power consumer, in particular an electric generator, at least partially fed to a turbine and the exhaust gases at least partially form the heat-conducting fluid flow, in particular a first fluid.
  • the heat transfer system in turn provides heat via a second fluid for subsequent use.
  • the gas turbine system is designed as a partially recuperated, in particular variably partially recuperated, micro gas turbine.
  • the partially recuperated micro gas turbine has a compressor for providing a prestressed oxidizing agent stream, in particular fresh air stream, and a recuperator for preheating the prestressed oxidant stream by transferring part of the heat of the exhaust gas of the micro gas turbine, in particular from the first fluid stream to the prestressed oxidant stream ,
  • a flue gas temperature between 200 and 700 ° C is established.
  • a partially recuperated micro gas turbine is in particular a gas turbine plant with a recuperator for transfer of waste heat of the exhaust gas to an oxidant stream understood in which the heat transfer between the exhaust gas and the oxidant stream is limited by suitable limiting means or is that in the exhaust after passing the Rekuperators a significant proportion RNutz on a usable in a heat transfer system, in particular a boiler waste heat in the form of residual heat is present.
  • This residual heat is in the According to the invention system via the heat-conducting fluid flow, the first fluid supplied to the heat transfer system as a heat source or provided.
  • the limiting means may be designed such that a contact and / or transfer surface, time or zone provided in the recuperator is / are defined correspondingly defined between the exhaust gas and the oxidant stream and / or means for at least partially bypassing the heat exchanger, Rekuperators or a heat transfer zone by the exhaust gas and / or the oxidant stream is / are provided.
  • the energy converter system according to the invention designed in this way has the advantage that the mechanical, electrical and thermal energy provided for use by the energy converter system with fixed primary energy expenditure over a very wide range of variance in its relative distribution between the different types of energy (mechanical, electrically and thermally) can be adjusted specifically.
  • a ratio between R Nu tz and RRekup can be set over a parameter range between 0:95 and 95: 0, preferably between 10:90 and 90:10, particularly preferably between 30:70 and 70:30.
  • the fraction RRekup can also be called recuperation degree. He will usually reproduce in percentages.
  • the degree of recuperation is between 0 and 95%, preferably it can be adjusted and / or regulated between 0 and 95%.
  • such a setting can be made even after installation of the energy converter system.
  • the amount of heat available in the exhaust gas for a subsequent use can be kept essentially constant even with a variable degree of recuperation, such that a mass flow of the fuel supplied to the gas turbine combustor changes Recuperation level tracked, in particular lowered with increasing degree of recuperation and raised with decreasing Rekuperationsgrad.
  • the split between mechanical / electrical and thermal power supply can be variably varied between 10:85 and 40:55, preferably between 20:75 and 35:60.
  • the amount of heat in the exhaust gas which can be supplied for subsequent use is set via a variable degree of recuperation, while a mass flow of the fuel fed to the gas turbine burner follows up the changed degree of recuperation, in particular increases with increasing degree of recuperation and is lowered with decreasing degree of recuperation.
  • a motor CHP can be adjusted in the range of mechanical / electrical rated power of the energy converter system in particular the division between mechanical / electrical and thermal power supply between 10:15 and 10:60, preferably between 10:20 and 10:50 be varied.
  • the energy converter system according to the invention with a partially recuperated micro gas turbine is thus characterized in that, as requirements for the quantities of mechanical / electrical and / or thermal energy to be provided by the energy converter system change, a recuperation rate of a nes recuperator of the gas turbine plant and / or a mass flow of a fuel of a gas turbine combustor to track or adjust the requirements.
  • the thermal power can be varied even when kept in the rated power range electrical power between a 40% and a full thermal load. Preferably, this variation takes place almost continuously.
  • the proposed energy converter system according to the invention also has the advantage that the useful energy in each of the types of energy in a high quality, energy density and / or usability is provided.
  • the energy converter system according to the invention further comprises at least one further system for the implementation of energy, in particular a heating burner or a heat pump.
  • the other system for the conversion of energy is also a heat transfer system in which heat is transferred to another, third fluid.
  • the further system is in this case via a fluid flow with the heat transfer system in a heat transfer relationship.
  • heat can also be transferred from the further system to the system or the heat transfer system via the third fluid.
  • the further system can be transferred via the third fluid heat from the other system to the heat transfer system.
  • the system for converting energy which provides the first fluid is also in a heat transfer relationship with the further system for converting energy, wherein in particular at least part of the first fluid is supplied to the further system.
  • a plant for the implementation of energy is understood in particular a system, a system and / or a device which / which input side at least one energy stream, in particular a stream of chemically and / or otherwise stored energy, preferably an incoming fluid stream such.
  • a fuel and / or Oxidationsmit- Telstrom receives, the energy extractable therefrom at least partially heat-forming, ie, exothermic converts, and the output side can serve as a heat source to a downstream heat consumer, in particular a heat consumer can provide a heat-conducting fluid flow.
  • a heat-conducting fluid flow is understood in particular to mean a fluid which has been heated in the system for converting energy, in particular a heated fluid, and / or a flow of a vapor or at least one partially evaporating fluid.
  • the input-side and output-side currents preferably have different temperature levels, more preferably an output temperature of the output-side fluid flow is greater than an input temperature of the input-side current.
  • Installations of this type can be, for example, internal combustion engines, burners, in particular heating burners or gas turbine plants, but also heat pumps.
  • a heat transfer system In contrast to systems for converting energy, a heat transfer system is understood to be systems, installations, devices and / or devices in which heat is transferred from a first inflowing fluid flow to a second inflowing fluid flow, so that these two fluid flows essentially only have a changed one on the output side have thermal state.
  • Known heat transfer systems are flow apparatuses such as heat exchangers, boilers (without the possibly existing burner), in particular waste heat boilers, recuperators, evaporators, condensers and the like.
  • a fuel flow is understood in particular to mean a flow of a combustible fluid, preferably a combustible liquid or gas, and / or a supply of a solid fuel.
  • Preferred combustible liquids may be petroleum, petroleum-derived mineral oil fuels, alcohols, biofuels and / or other combustible liquids.
  • Preferred gases may be natural gas, biogas, bio natural gas, landfill, sewage and / or mine gas, hydrocarbon-containing exhaust gases and / or similar gases.
  • an oxidant stream is understood as meaning a supply of an oxidizing agent required for an exothermic chemical conversion of the fuel stream, in particular air or other oxygen-containing mixtures or compounds which undergo a redox reaction, particularly in the ambient conditions prevailing in the heat transfer system, in particular ambient pressure and ambient temperature react with the fuel stream with the release of heat energy.
  • the output-side fluid flow of the system consists of the conversion of energy from exhaust gases of a gas turbine burner.
  • the exhaust gases are characterized by a flue gas temperature of at least 200 ° C, in particular 250 ° C, preferably at least 300 ° C, more preferably at least 350 ° C.
  • the flue gas temperature of the exhaust gases of the plant for the implementation of energy between 250 ° C and 800 ° C, in particular between 270 ° C and 700 ° C, ideally between 350 ° C and 650 ° C.
  • a mass flow of the exhaust gas between 0.2 kg / s and 3.0 kg / s, in particular between 0.3 kg / s and 2.0 kg / s, preferably between 0.4 kg / s and 1.5 kg / s, more preferably between 0.45 kg / s and 0.8 kg / s.
  • the exhaust gases of the gas turbine burner to provide mechanical energy at least partially via a turbine, in particular a gas turbine, preferably a radial turbine relaxed, which converts a portion of the thermodynamic energy of the exhaust gases into a rotational energy of the turbine. This rotational energy can then be supplied to one, two or more mechanical power consumers.
  • the mass flow of the exhaust gases of the gas turbine burner can be almost completely, ideally completely guided over the turbine and used to drive them.
  • the invention further at least a portion of the exhaust gases, preferably all the exhaust gas of the gas turbine burner, in particular at least a portion of the already relaxed in the turbine exhaust gases as a first fluid stream from a first fluid of the input side of the heat transfer system and / or the other system for converting energy supplied or be forwarded.
  • the first fluid can be mixed with the third fluid at least partially in front of the heating burner a fuel and / or oxidant stream of the heating burner and / or in the heating burner, a fuel requirement of the heating burner at a given output side heat energy flow, in particular a given or required output side, third fluid stream of the further system for the implementation of energy advantageously reduced and / or a heat energy amount of the third fluid flow can be advantageously increased.
  • a further advantageous embodiment of the invention which has a favorable effect on fuel demand and / or fuel efficiency, results if the first fluid can be fed at least partially to a preheating heat exchanger which is responsible for heat transfer to a fuel and / or oxidant stream, in particular one Fresh air flow, is provided.
  • a fuel efficiency is in particular a ratio of one of the inventive energy converter system usable total energy, in particular the sum of usable mechanical, electrical and thermal energy, based on the amount of energy substantially chemically supplied by a fuel amount understood. In other words, with identical supply of energy, we will provide more usable energy.
  • "low influencing” is understood to mean a reduction of a required fuel quantity, in particular a fuel mass and / or a fuel volume.
  • “Favorably influencing” is an increased release of thermal and / or mechanical energy with a constant amount of fuel in terms of fuel efficiency Understood.
  • the preheating heat exchanger is provided for preheating the fuel and / or oxidant flow of the gas turbine combustor of the plant for the implementation of energy and / or the heating burner in the other plant for the implementation of energy.
  • a refinement of the energy converter system according to the invention which particularly advantageously influences the fuel demand and / or the fuel efficiency can be achieved by at least parts of the first and / or third fluid having been thermally cooled by heat transfer to the second fluid in the boiler via a Return line can be supplied to the heating burner for further implementation.
  • a second preheater heat exchanger which for a heat transfer to a fuel and / or oxidant stream, in particular fresh air stream is provided, can be supplied as a heat source.
  • a particularly effective and efficient embodiment of the invention which at the same time is cost-effective due to the reduced system overhead, provides that the third fluid can be admixed with the first fluid after it has been heated in the boiler by the heat applied to the second fluid. meübertrag reduced in its thermal energy content, in particular was cooled. If the first and the third fluid are mixed, a mass flow recirculated via the return line and / or supplied to the preheating heat exchanger (s) can be increased. As a result, an even more extensive use of a residual energy remaining in the first and third fluid flow can be achieved for advantageously influencing the fuel requirement and / or the fuel efficiency. This is possible in particular if the two plants for the conversion of energy have mutually compatible output-side fluids, in particular exhaust gases. By “compatible with one another” is meant in particular that the exhaust gases may be mixed under environmental law and / or no or at least not in critical amounts polluting the environment and / or the plant or damage products resulting from chemical reactions or otherwise the two fluids.
  • a mixer for forming an adjustable mixture of at least one of the fluid streams, in particular of the first and / or third fluid, and a fuel and / or oxidant stream, in particular a fresh air stream
  • at least one parameter of the energy converter system according to the invention can leave Product, in particular the second fluid and / or an escaping emission, can be controlled adjustable or regulated.
  • a pollutant content eg a CO, CO2, NO x and / or hydrocarbon content
  • an emission temperature eg. CO, CO2, NO x and / or hydrocarbon content
  • an emission temperature e.g., an emission temperature, a degree of saturation or the like, such as the products, in particular the second fluid and / or be understood the emission characterizing property sizes.
  • the invention in another aspect, relates to a burner, in particular a heating burner or gas turbine burner, for an inventive energy converter system with a burner module with at least one fuel supply and at least one oxidant supply.
  • the burner according to the invention is characterized by a mixing unit for supplying a predominantly gaseous Brennosfluids, in particular the first fluid stream or fluid of the energy converter system according to the invention from.
  • the admixing unit according to the invention makes it possible to admix at least part of the auxiliary combustion fluid to the conversion or combustion process of the fuel and oxidant flow supplied to the burner such that a conversion rate of the fuel and oxidant flow, a conversion rate in and / or a temperature of the reaction resulting exhaust gas can be advantageously and inventively influenced.
  • the burner according to the invention advantageously allows this by virtue of the fact that the admixing unit can be structurally integrated into the burner.
  • the admixing unit can be embodied as a separate module, for example as a mixing plate, or directly into a burner flange having a burner nozzle.
  • the design as a separate module favors, among other things, the construction of mixing unit and burner flange / burner module made of individually selected materials.
  • the integrated structure has the advantage of simplifying the handling of the burner during final assembly and / or maintenance.
  • a preferred admixing unit has a distributor channel, preferably an annular channel, and injection nozzles connected to the distributor channel for the release of a gaseous fluid present in the distributor channel in an injection direction. Furthermore, the distribution channel has at least one connection piece for the connection to a gaseous fluid-providing unit or line.
  • the burner according to the invention can also be used advantageously as a burner in boiler installations, gas turbine installations or other burner-based systems known to the person skilled in the art Furnaces are used, which according to the invention is at least partially exhaust gas recirculation in the burner in common.
  • the invention relates to an advantageous boiler for an inventive energy converter system.
  • the boiler is in particular provided to change a second fluid by supplying heat at least with respect to a temperature state, in particular to increase a temperature state relative to an initial or ambient temperature and / or at least partially expose a phase transition, in particular the second fluid at least partially into one Steam phase or to transfer a vapor.
  • An advantageous boiler in this case comprises a first conduit system for the passage of the first fluid, which is preferably at least partially formed as a first heat exchanger extending at least within a boiler room for transferring at least a portion of the heat of the first fluid to the second fluid.
  • the first conduit system is expediently designed such that the first fluid, in particular an exhaust gas or flue gas, a temperature, in particular a flue gas temperature of at least 200 ° C, in particular 250 ° C, preferably at least 300 ° C, more preferably at least 350 ° C may have.
  • the flue gas temperature of the first fluid is between 250 ° C and 800 ° C, in particular between 270 ° and 700 °, ideally between 350 and 650 ° C. It is further preferred if a mass flow of the exhaust gas between 0.2 and 3.0 kg / s, in particular between 0.3 and 2.0 kg / s, preferably between 0.4 and 1, 5 kg / s, more preferably between 0.45 and 0.8 kg / s.
  • a pressure loss between an inlet-side and an outlet-side connection of the conduit system, in particular a fluid inlet and a fluid outlet of the boiler is less than 10%, preferably less than 4%, more preferably less than 2%, ideally less than 0.5%.
  • an input-side pressure level can be considered as a train, in particular as a boiler train from the fluid inlet to the substantially in a boiler be formed housing opposite fluid outlet.
  • the piping system has a substantially rectilinear extent through the boiler room.
  • a deflection in particular a deflection chamber
  • the flow direction of a fluid flowing in the conduit system from the fluid input in the deflection undergoes a change of direction, in particular almost completely reversing the direction.
  • Fluid inlet and fluid outlet may be located on one side of the boiler housing in such a two-pass boiler.
  • a second deflection in particular a second deflection chamber, can be provided along the flow direction in the line system, in which the fluid flowing in the line system undergoes a renewed deflection. This is called a three-pass kettle.
  • the boiler according to the invention comprises a second conduit system for the passage of the third fluid, which is preferably formed at least in sections as a second heat exchanger extending at least within a boiler room for transferring at least a portion of the heat of the third fluid to the second fluid.
  • the second conduit system is expediently designed such that the third fluid, in particular an exhaust gas or flue gas, with a temperature, in particular a flue gas temperature between 250 ° C and 1400 ° C, preferably between 400 ° C and 1200 ° C, more preferably between 600 ° C and 900 ° C and a mass flow between 0.5 kg / s and 4.0 kg / s, in particular between 0.8 kg / s and 3.0 kg / s can be passed through the line system.
  • the second conduit system is designed such that the mass flow first and third fluid can be passed through the conduit system.
  • a pressure loss between an inlet-side and an outlet-side connection of the conduit system is less than 10%, preferably less than 4%, particularly preferably less than 2%, ideally less than 0.5% of an input-side pressure level.
  • the second conduit system can be formed or executed in an analogous manner to the first conduit system one, two, three or more.
  • both the first line system and the second line system are single-entry, the boiler equipped in this way is itself double-threaded, with the two trains then extending separately through the boiler room.
  • a boiler with a single-pass first and a two-pass second line system is called a three-pass boiler - and so on.
  • one of the line systems has two inputs and one output, wherein preferably the first input for the coupling of the first fluid and the second input for the coupling of the third fluid are provided.
  • this line system has a one, two or more deflections, in particular deflection chambers exhibiting pipe system, wherein the first input is formed by a piece of pipe, which opens management system side in one of the deflections.
  • a preferred deflection chamber has a deflecting volume delimited by a wall with an inlet and an outlet, in which at least one flow-guiding element, such as a guide plate, a spoiler lip and / or a diffuser, is arranged, which serves to flow in via the inlet Efficiently redirecting fluid flow toward the exit.
  • flow-guiding element such as a guide plate, a spoiler lip and / or a diffuser
  • efficiently deflecting is understood as meaning, in particular, a flow deflection which keeps the thermodynamic properties-eg temperature, heat content and / or pressure-of the fluid flow virtually constant or at least does not change substantially.
  • a change in the fluid flow between the inlet and outlet of the deflection chamber is understood to mean, in particular, less than 10%, in particular less than 5%, preferably less than 1%, particularly preferably less than 0.5%, of a value of the respective property Entrance of the deflection chamber is.
  • the invention relates to an advantageous gas turbine plant for generating at least a portion of the stored chemical energy in a fuel.
  • the gas turbine plant comprises a generator, a compressor and a turbine driving the generator and the compressor with an exhaust gas outlet for removing an exhaust gas from the turbine.
  • the gas turbine plant according to the invention is intended for use in an energy converter system according to the invention and ideally in the exhaust gas outlet a first fluid, in particular a first exhaust gas, with a flue gas temperature in the Abgasaustechnisch of at least 200 ° C, in particular 250 ° C, preferably at least 300 ° C, more preferably at least 350 ° C from.
  • the flue gas temperature of the first fluid is between 250 ° C and 800 ° C, in particular between 270 ° C and 700 ° C, ideally between 350 ° C and 650 ° C.
  • a mass flow of the exhaust gas between 0.2 kg / s and 3.0 kg / s, in particular between 0.3 kg / s and 2.0 kg / s, preferably between 0.4 kg / s and 1.5 kg / s, more preferably between 0.45 kg / s and 0.8 kg / s.
  • the gas turbine plant is designed as an already described partially recuperated micro gas turbine.
  • a recuperator in which only a fraction of RRekup is transferred from heat from the exhaust gas stream to the oxidant stream, so that at least a proportion of useful heat remains in the exhaust gas stream.
  • further suitable limiting means are provided or arranged on the recuperator, so that in the exhaust gas flow as well after passing through the recuperator a significant proportion RNutz is present at a usable in the heat transfer system waste heat in the form of residual heat.
  • the invention relates to an advantageous method for providing electrical and thermal energy with an energy converter system comprising a gas turbine plant.
  • a thermal and / or chemically stored energy of an exhaust gas stream of the gas turbine plant is at least partially fed to a boiler, to which heat is still supplied in parallel from a heating burner.
  • the inventive method allows the provision of both electrical and thermal energy as high-quality useful energies, in particular with high energy density. Furthermore, it is thus possible to provide a relative proportion of the useful energies starting from the primary energy over a large ratio range that can be adjusted, controlled and / or regulated.
  • the method also allows the use of different primary energy flows for the supply of the gas turbine plant on the one hand and the heating burner on the other hand, so that with a constant supply of the two primary energy flows a nearly constant release of the useful energies can be ensured.
  • the exhaust gas stream of the gas turbine plant is at least partially fed to a heating system, in particular a heating burner of the heating system.
  • a heating system in particular a heating burner of the heating system.
  • the exhaust gas flow in particular of the gas turbine plant and / or the heating burner, in an air preheater at least partially converts its thermal energy to a fresh air flow.
  • the exhaust gas flow in particular of the gas turbine plant and / or the heating burner, in an air preheater at least partially converts its thermal energy to a fresh air flow.
  • Fig. 1a is a simplified circuit diagram of an inventive
  • FIG. 1 b shows a circuit diagram of the energy converter system according to FIG. 1 a with a first embodiment of a gas turbine plant, in particular a micro gas turbine without recuperator;
  • 1 c shows a circuit diagram of the energy converter system according to FIG. 1 a with a second embodiment of a gas turbine plant, in particular a microturbine with recuperator
  • 1 d shows a circuit diagram of the energy converter system according to FIG. 1 a with a third embodiment of a gas turbine plant, in particular a micro gas turbine with at least partially bridged recuperator
  • Fig. 1 e is a simplified circuit diagram of an inventive
  • FIG. 1f is a simplified circuit diagram of an inventive
  • FIG. 2a is a circuit diagram of an extended energy converter system according to the invention as a further variant
  • Fig. 2b is a circuit diagram similar to the circuit diagram of Fig. 2a of another energy converter system according to the invention as a third embodiment
  • FIG. 2c shows a circuit diagram similar to the circuit diagram of FIG. 2b of a further energy converter according to the invention.
  • 3a is a circuit diagram of another energy converter system according to the invention as a fifth embodiment
  • Fig. 3b is a circuit diagram similar to the circuit diagram of Fig. 3a of another energy converter system according to the invention as a sixth embodiment; 3c shows a circuit diagram of a development of an energy converter system according to FIG. 3b;
  • FIG. 4a is a circuit diagram of another energy converter system according to the invention as a seventh embodiment
  • Fig. 4b is a circuit diagram similar to the circuit diagram of Fig. 4a of an energy converter system according to the invention as an eighth embodiment
  • Fig. 5 is a circuit diagram of an energy converter system according to the invention as a ninth embodiment
  • Fig. 6 is a circuit diagram of an energy converter system according to the invention as a tenth embodiment
  • FIG. 8a shows a further circuit diagram of an energy converter system according to the invention in a twelfth embodiment, wherein the first fluid flow is fed to a heating burner in an installation for converting energy;
  • FIG. 8b shows an embodiment of a heating burner according to the invention for use in a system according to Fig. 8a; and
  • FIG. 9 is a circuit diagram of a first further development of the inventive energy converter system of FIG. 8a as a thirteenth embodiment.
  • FIG. 1a A first, circuit technology very simple embodiment of an energy converter system 1 according to the invention is shown in Fig. 1a as a circuit diagram.
  • the energy converter system 1 comprises a plant for the implementation of energy 2 and a heat transfer system 4.
  • the plant for the implementation of energy 2 is designed as a gas turbine plant 20 and has a fluid idausgang 21, via which the system 2 a heat energy carrying fluid, in particular a substantially gaseous fluid, preferably can release or release an exhaust or flue gas.
  • a heat energy carrying fluid in particular a substantially gaseous fluid
  • supply lines in particular the / the one / two input / inputs for supplying at least one fuel and / or at least one oxidizing agent for the generation of thermal energy in the system 2 by an exothermic redox reaction, in particular a combustion of fuel.
  • the resulting in the exothermic redox reaction, heat carrying fluid is discharged as the first fluid stream 22 - hereinafter also synonymously referred to as the first fluid 22 - discharged via the fluid outlet 21.
  • the fluid outlet 21 is connected via a line 5 to a fluid inlet 41 of the heat transfer system 4.
  • the heat transfer system 4 is designed as a boiler 40 with a line system 43 for the passage of a fluid, in particular the first fluid 22.
  • the line system 43 is permeable to the fluid 22 substantially only in the flow direction indicated by the arrows from the respective fluid inlet 41, 42 to fluid outlets 45, 46 or is flowed through by the fluid 22 substantially in the direction indicated by arrows flow direction.
  • permeability in particular for the fluid 22 in deviating directions from the flow direction dense, in particular diffusion-tight design of the conduit system 43, ie in particular a respective dense or diffusion-tight training of walls of pipelines
  • elements or devices which favor a preferred flow direction may be provided in the line system 43.
  • the line system 43 in particular as a part extending inside a boiler chamber 40a, is formed at least in sections as a heat exchanger 43a or a heat exchanger element 43a i, in particular, a spiral, fan-shaped ge, plate-shaped and / or corrugated shape of a portion of the conduit system 43 understood, which provides an enlarged relative to the rest of the conduit system 43 surface.
  • the enlarged surface is intended to favor a heat entrained with the fluid 22 conducted through the conduit system 43 for heat transfer to a medium or fluid, in particular working medium or useful fluid, which is in contact with the heat exchanger element 43a.
  • a useful medium or useful fluid which is characterized by a suitable heat input or heat transfer by means of the heat exchanger 43a or the heat exchanger element 43a, at least partially has a phase transition of be subjected to a second phase in a first phase.
  • the useful medium or useful fluid passes through sublimation and / or evaporation at least partially into a vapor phase or a vapor.
  • this steam is provided and / or removed as a second fluid stream 48 or as a second fluid 48 for further use.
  • the boiler 40 may be formed as a hot or hot fluid boiler, wherein a heat transfer from the first fluid 21 via the line 43, 43 a system is designed so that the Nutzmedium or Nutzfluid is not exposed to any appreciable phase transition, but only one Output temperature level exceeding the temperature level is heated or heated or should be, without this temperature level exceeds a phase transition temperature of the Nutzmediums or Nutzfluids.
  • the boiler is designed, in particular, as a pressurized-fluid or pressurized-water boiler, an internal pressure in the boiler chamber can be increased or become such that the phase transition temperature can be increased to a higher temperature. is shifted.
  • the first conduit system 43, 43a is expediently designed such that the first fluid 22, in particular an exhaust gas or flue gas, with a temperature, in particular a flue gas temperature between 300 ° C and 800 ° C, preferably between 350 ° C and 700 ° C and a mass flow between 0.5 kg / s and 4.0 kg / s, in particular between 0.8 kg / s and 3.0 kg / s by the conduit system 43, 43 a can be performed.
  • the line system 43, 43a is furthermore preferably designed such that a pressure drop of the fluid flow 22 between an input-side and an output-side connection 41, 45 of the line system 43, 43a is less than 10%, preferably less than 4%, particularly preferably less than 2%. , ideally less than 0.5% of an input pressure level.
  • a boiler 40 according to the invention may further comprise a boiler inlet, not shown here, for supplying the useful medium or Nutzflu- ides, in particular the Nutzmediums or Nutzfluides in a first phase.
  • the supply can take place at regular and / or irregular intervals and / or as a substantially permanent influx or permanent supply.
  • the boiler chamber 40a has at least two volume zones, wherein in a first volume zone the useful medium or useful fluid is present substantially in its first phase and in a second volume zone the useful medium or useful fluid substantially in its second phase.
  • the term "essentially in one phase” means in particular that the proportion of this phase in the total amount of ge, in particular the total mass and / or the total volume of the Nutzmediums or Nutzfluides in this volume zone of the boiler chamber 40a at least 50%, preferably at least 70% and particularly preferably at least 80%.
  • the fluid inlet 41 of the line system 43 with respect to the boiler space 40a in the first volume zone, i. in a portion of a boiler housing, which limits the first volume zone is arranged.
  • the fluid outlet 45 can be positioned with respect to the boiler space 40a in the first or second volume zone, i. in a portion of a boiler housing, which limits the first or second volume zone, be arranged.
  • a trained boiler 40 is also referred to as waste heat boiler.
  • a waste heat boiler is understood in particular to mean a boiler 40, in which the heat transfer to the working fluid or useful fluid, in particular second fluid 48, essentially by thermal contact, convection and / or diffusion of the first fluid 22 flowing in the line system 43, 43a Nutzmedium or Nutzfluid takes place.
  • the boiler outlet 47 is preferably in relation to the boiler room 40a in the second volume zone, i. in a portion of a boiler housing, which limits the second volume zone arranged.
  • the boiler outlet is preferably arranged with respect to the boiler room 40a in the first volume zone, ie in a partial area of a boiler housing which delimits the first volume zone.
  • the useful fluid is water.
  • the water In the first volume zone, the water is essentially in liquid form. If the first fluid 22 of the system for converting energy 2, in particular an exhaust gas or flue gas of a gas turbine plant 20, flows into the first line system 43 as first fluid 22 via at least the first fluid inlet 41, the first fluid 22 flows via the or the heat exchanger elements 43a heat to the surrounding water in the boiler room 40a.
  • 1b shows the energy converter system 1 from FIG.
  • the gas turbine plant according to FIG. 1b here comprises a gas turbine burner 201, a compressor 202, a turbine 203 and at least one further power consumer 204, in particular an electric generator 204a.
  • the compressor 202 and the turbine 203 are arranged on a common shaft 205.
  • Such a gas turbine plant 20 is also referred to below as non-recuperated micro gas turbine 20a.
  • the compressor 202 is supplied via an air inlet 202a, a fresh air flow 202b, which is biased in the compressor 202 to a compressor pressure.
  • An advantageous compressor pressure is between 2 and 6 bar, in particular between 3 and 5 bar, preferably between 3.5 and 4.5 bar, particularly preferably at about 4 bar.
  • the thus biased fresh air stream 202c is then supplied to the gas turbine combustor 201 via an oxidant feed 201a as an oxidant stream.
  • a fuel supply 201 b, the gas turbine combustor 201 further fuel, preferably a liquid and / or gaseous fuel supplied.
  • the fuel and the oxidizer are in an exothermic redox reaction, usually by combustion, in a smoke or exhaust gas 201 c converted.
  • the resulting smoke or exhaust gas 201 c in this case preferably has a flue gas temperature between 400 and 1000 ° C, preferably between 500 and 950 ° C, more preferably from 600 to 750 ° C and preferably a relative to the compressor pressure further increased flue gas pressure.
  • Via an exhaust pipe 201 d at least a portion of the smoke or exhaust gas 201 c, preferably substantially the entire smoke or exhaust gas 201 c passes to a turbine inlet 203 a.
  • the smoke or exhaust gas 201 c is relaxed so that the volumetric work released thereby drives the shaft 205 to rotate.
  • the expanded smoke or exhaust gas 203c is then released via a turbine outlet 203b or fed to the heat transfer system 4, 40 as the first fluid 22 of the plant for converting energy 2, 20 in the inventive energy converter system 1 according to FIG.
  • a non-recuperated micro gas turbine 20a has the advantage that the expanded smoke or exhaust gas 201 c at the turbine outlet 203b still a high specific thermal energy density, in particular a flue gas temperature between 400 ° C and 1000 ° C, preferably between 500 ° C and 950 ° C, more preferably from 600 ° C to 750 ° C, ideally of about 650 ° C.
  • FIG. 1b corresponds to the more general example of FIG. 1a in the further construction and its functional relationships, so that reference is made to the detailed description of FIG. 1a for the further description which relates to the features of the invention described there in an analogous manner also apply to the example of FIG. 1 b, in particular to.
  • FIG. 1 c shows the energy converter system 1 from FIG. 1 a with an alternative gas turbine installation 20. Identical or equivalent elements are given the same reference numerals as in the preceding FIGS. their description at this point to the description of Figures 1 a and 1 b reference is made.
  • the gas turbine plant according to FIG. 1c comprises a gas turbine burner 201, a compressor 202, a turbine 203 and at least one further power consumer 204, in particular an electric generator 204a.
  • the compressor 202 and the turbine 203 are arranged on a common shaft 205.
  • 20b of FIG. 1 c of the compressor 202 biased fresh air flow 202c is passed through a recuperator 206 before it is supplied to the gas turbine combustor 201 via an oxidant supply 201 a as an oxidant stream.
  • the recuperator 206 is a heat exchanger which transmits at least part of the heat of the expanded smoke or exhaust gas 203c of the turbine 203 to the prestressed fresh air flow 202c.
  • recuperator 206 The relaxed and in the recuperator 206 partly by heat transfer to the fresh air flow 202c cooled smoke or exhaust gas 206c is then released or as a first fluid 22 of the plant for the implementation of energy 2, 20 in the energy converter system 1 of FIG. 1 a the heat transfer system 4, 40, respectively.
  • a gas turbine plant 20 according to FIG. 1c is referred to hereinafter as recuperated micro gas turbine 20b.
  • the flue gas temperature T of the first fluid 22 is reduced in a recuperated micro gas turbine 20b due to a heat withdrawal in the recuperator 206.
  • the flue gas temperature reaches values between 200 ° C and 700 ° C, in particular between 250 ° C and 650 ° C, preferably between 270 ° C and 600 ° C, more preferably from 300 ° C to 400 ° C.
  • a recuperated micro gas turbine 20b has the advantage, inter alia, that a greater mechanical efficiency r.sub.cH is achieved than with a non-recuperated micro gas turbine 20a. Under a mechanical efficiency r mech is thereby a ratio between a to the power consumer 204 understood mechanical energy and the gas turbine combustor 201 supplied primary energy, in particular chemical energy of a gas turbine fuel understood.
  • a recuperated micro gas turbine 20b in an energy converter system 1 according to the invention is particularly advantageous if, given the dimensioning of the system 1 and the fuel for the burners 201, 30, a greater amount of mechanical energy is to be provided.
  • a sub-variant according to the invention of the recuperated micro gas turbine 20b in a circuit arrangement according to FIG. 1c is a fixed partially recuperated micro gas turbine 20bb, wherein a recuperator 206 is provided, which can bring about only a limited part of a possible, in particular maximum possible heat energy transfer to the fresh air stream 202c o- has a relation to a theoretically possible efficiency interpretation conditionally limited efficiency of heat transfer.
  • a recuperator 206 can be achieved, for example, by designing a transmission surface provided and / or designed for the heat transfer to be smaller than would be required for a maximum efficiency of the heat transfer.
  • FIG. 1 c in the further construction and its functional relationships corresponds to the examples of FIGS. 1 a and 1 b described above, so that reference is made to the detailed description of FIGS. 1 a and 1 b for the further description which, with regard to the features of the invention described there, can also apply analogously to the example according to FIG. 1 c, in particular.
  • FIG. 1 d shows a particularly preferred inventive energy converter system 1 according to the functional diagram of FIG. 1 a with a particularly preferred embodiment of a gas turbine plant 20.
  • Identical or equivalent elements are given the same reference numerals as in FIGS previous figures, with respect to the description of which reference is made at this point to the description of the preceding figures.
  • the gas turbine system 20 of FIG. 1 d differs from the recuperated micro gas turbine 20 b of FIG. 1 c in that at least one, preferably two bypass systems 207, 208 are provided for at least partially bypassing the recuperator 206.
  • a first bypass system 207 in this case comprises a bypass control element 207a, preferably a control and / or controllable valve or flap, which is / s provided and / or designed, at least one, preferably an adjustable or selectable partial flow 207c the fresh air stream 202c biased by the compressor 202 before the recuperator 206 and / or divert. Furthermore, the first bypass system 207 comprises a first bypass line 207b shown in dashed lines in FIG.
  • the partial flow 207c diverted and / or diverted from the bypass control element 207a is preferably led around the recuperator 206 and in particular downstream of the recuperator 206
  • Recuperator 206 can be supplied to the preheated in the recuperator 206 part of the prestressed fresh air flow 202c again.
  • the first bypass system 207 thus makes it possible to set a degree of recuperation or to make it adjustable, controllable and / or controllable.
  • a second alternative or supplemental bypass system 208 includes a bypass control element 208a, preferably a controllable and / or controllable valve or flap, which is provided and / or configured to at least one, preferably an adjustable or selectable one Partial flow 208 c of the relaxed from the turbine 203 smoke or exhaust gas 203 c before the recuperator 206 branch off and / or divert. Further, the second bypass system 208 comprises a second, shown in dashed lines in Fig. 1 d Bypass line 208b.
  • the bypass line 208b can preferably lead the partial flow 208c branched off and / or out of the bypass control element 208a around the recuperator 206 and, in particular after the recuperator 206, be recirculated to the smoke or exhaust gas 206c at least partially cooled in the recuperator 206.
  • an amount of the heat-conducting smoke or exhaust gas 203c can advantageously be set and / or regulated, so that a quantity of heat transferable to the final air flow 202c in the recuperator 206 can be set and / or regulated.
  • the second bypass system 208 allows the degree of recuperation to be adjusted or adjusted, adjusted and / or regulated.
  • a gas turbine plant 20 according to FIG. 1 d, in particular with a first and / or second bypass system 207, 208 is referred to hereinafter as variably partially recuperated micro gas turbine 20 c.
  • variably partially recuperated micro gas turbine 20 c are characterized in particular by an adjustable and / or controllable degree of recuperation, whereby a degree of recuperation is understood as the ratio of heat energy transferred in the recuperator to the maximum heat energy that can be transmitted in the recuperator.
  • the ratio between the provision of mechanical energy, in particular electrical energy, and thermal energy can be advantageously set and / or regulated with an energy converter system 1 according to the invention via the adjustable and / or controllable degree of recuperation.
  • a degree of utilization of primary energy in at least one of the plants for converting energy 2, 3 can be advantageously optimized.
  • a partially recuperated micro gas turbine 20c in an energy converter system 1 according to FIG. 1 d it becomes possible for the first time to adapt the thermal power available for the operation of the boiler 40 via the first fluid 22 beyond the original design of the energy converter system 1 and / or fluctuations or tolerances during assembly or during operation, in particular in the fuel supply, the fuel quality, the power recalled on the boiler 40 or the like. chen, stabilizing and / or optimizing intervention.
  • an advantageous variation of the operating point of the energy converter system 1 can be achieved via the degree of recuperation.
  • FIGS. 1 d in the further construction and its functional contexts corresponds to the examples of FIGS. 1 a to 1 c described above, so that for the further description reference is made to the detailed description of FIGS. 1 a, 1 b and 1 c, which, with regard to the features of the invention described there, can analogously also apply to the example according to FIG.
  • the line system 43, 43 a is shown in a single-entry configuration. However, it may also be advantageous that the conduit system 43, 43 a of the boiler 40 is formed two-, three- or Mrides.
  • An energy converter system 1 with a boiler 40, the line system is formed slaughter matter is shown in Fig. 1 e.
  • the line system 43, 43 a has a first deflection or deflection chamber 43 b, in which a flow direction of the first fluid 22 is deflected.
  • the fluid inlet 41 and the fluid outlet 45 can advantageously be arranged on one side of a boiler housing.
  • An energy converter system 1 with a boiler 40, whose line system is formed in three movements, is shown in FIG.
  • a second deflection or deflection chamber 43c is provided in the line system 43, 43a.
  • the second deflection chamber 43c is arranged downstream of the first deflection chamber 43b in the line system 43.
  • FIG. 2 a shows a preferred development of the energy converter system 1.
  • the energy converter system 1 according to FIG. 2 a comprises in addition to the installation for converting energy 2 and the heat transfer system 4 at least one fluid output 21, 31, via which the plants 2, 3 each have a heat energy carrying fluid, in particular a substantially gaseous fluid, preferably an exhaust gas or can release or release flue gas.
  • a heat energy carrying fluid in particular a substantially gaseous fluid, preferably an exhaust gas or can release or release flue gas.
  • the at least one / two input / inputs for supplying at least one fuel and / or at least one oxidizing agent for generating thermal energy in the plants for converting energy 2, 3 by an exothermic redox Reaction, in particular combustion of the fuel.
  • heat carrying fluid is discharged as a first or third fluid stream 22, 32 - also synonymously referred to as a first fluid 22 and third fluid 32 - via the fluid outputs 21, 31.
  • the fluid outlets 21, 31 are connected via lines 5, 6 to a respective fluid inlet 41, 42 of the heat transfer system 4.
  • the plant 2 is preferably embodied as a gas turbine plant 20, in particular as a partially recuperated micro gas turbine 20c, the partially recuperated micro gas turbine 20c having the advantages according to the invention already described with reference to FIG. 1d.
  • a gas turbine plant 20 in particular as a partially recuperated micro gas turbine 20c, the partially recuperated micro gas turbine 20c having the advantages according to the invention already described with reference to FIG. 1d.
  • a non-recuperated micro gas turbine 20a or a recuperated micro gas turbine 20b as shown in FIG. 1b or FIG. 1c.
  • the heat transfer system 4 is preferably analogous to FIGS. 1 a to 1 d designed as a boiler 40.
  • FIGS. 1 a or 2 a In the representations of FIGS. 1 a or 2 a, as in all further described figures, only the switching-technical connection or lines necessary for the mediation of the respective idea of the invention or of the respective details of the invention are shown or indicated. Not shown are usually supply connections and lines for the supply of the individual systems 2, 3 with fuels and / or oxidants, in particular fresh air or disposal lines such. B. exhaust gas chimneys and / or exhaust aftertreatment systems, which, however, can be supplemented in a way that is obvious to a person skilled in the art.
  • the heat transfer system 4 is in this case designed as a boiler 40, in particular as a waste heat boiler or combination boiler with at least one waste heat zone, with at least two independent line systems 43, 44 for the passage of a respective fluid, in particular of the first and third fluid 22, 32.
  • the line systems 43, 44 are permeable to the respective fluid 22, 32 substantially only in the flow direction indicated by the arrows from the respective fluid inlet 41, 42 to fluid outlets 45, 46.
  • conduit systems 43, 44 in at least one of the conduit systems 43, 44 elements or devices may be provided which favor a preferred direction of flow, for example at least one check valve could be provided and / or one or more flow-guiding elements, such as diffusers, are preferably the conduit systems 43, 44, in particular their part extending inside a boiler chamber 40a, at least in sections as a heat exchanger 43a, 44a or a heat exchanger ement 43a, 44a formed.
  • a heat exchanger element 43a, 44a is understood as meaning, in particular, a spiral-shaped, fan-shaped, plate-shaped and / or corrugated shape of a section of the respective line system 43, 44, which provides an enlarged surface in relation to the rest of the line system 43, 44.
  • the enlarged surface is provided for this purpose, a heat entrained with the fluid 22, 32 conducted through the line system 43, 44 for a heat transfer to one with the politicians (2004)elennent 43a, 44a in a related medium or fluid, in particular beneficial medium or Nutzfluid favor.
  • a boiler 40 in the boiler room 40a a Nutzmedium or Nutzfluid, which is characterized by a suitable heat input or heat transfer by means of the heat exchanger 43a, 44a and the heat exchanger element 43a, 44a at least partially a phase transition of a first phase to be subjected to a second phase.
  • the useful medium or useful fluid passes through sublimation and / or evaporation at least partially into a vapor phase or a vapor.
  • this steam is provided and / or removed as a second fluid stream 48 or as a second fluid 48 for further use.
  • the first conduit system 43, 43a is expediently designed such that the first fluid 22, in particular as an exhaust gas or flue gas, with a temperature, in particular a flue gas temperature between 300 ° C and 800 ° C, preferably between 350 ° C and 700 ° C. and a mass flow between 0.5 kg / s and 4.0 kg / s, in particular between 0.8 kg / s and 3.0 kg / s through the conduit system 43, 43 a can be performed.
  • the pipe systems 43, 43a; 44, 44a are further preferably designed such that a pressure loss of the respective fluid flow 22, 32 between an input-side and an output-side connection 41, 45; 42, 46 of the respective conduit system 43, 43a; 44, 44a is less than 10%, preferably less than 4%, more preferably less than 2%, ideally less than 0.5% of an input-side pressure level.
  • a boiler 40 according to the invention may further comprise a boiler input, not shown here, for supplying the useful medium or useful fluid.
  • ides in particular the Nutzmediums or Nutzfluides in a first phase.
  • the supply can take place at regular and / or irregular intervals and / or as a substantially permanent influx or permanent supply.
  • the boiler chamber 40a has at least two volume zones, wherein in a first volume zone the useful medium or useful fluid is present substantially in its first phase and in a second volume zone the useful medium or useful fluid substantially in its second phase.
  • substantially in one phase is meant in particular that the proportion of this phase in the total amount, in particular the total mass and / or the total volume, the Nutzmediums or Nutzfluides in this volume zone of the boiler room 40a at least 50%, preferably at least 70% and particularly preferably at least 80%.
  • At least one, preferably both fluid inlets 41, 42 of the line systems 43, 44 with respect to the boiler space 40a in the first volume zone, i. in a portion of a boiler housing, which limits the first volume zone, are arranged.
  • the boiler outlet 47 can preferably be arranged with respect to the boiler space 40a in the second volume zone, ie in a partial area of a boiler housing which delimits the second volume zone.
  • the boiler outlet is preferably arranged with respect to the boiler room 40a in the first volume zone, ie in a partial area of a boiler housing which delimits the first volume zone.
  • the useful fluid is water.
  • the water is essentially in liquid form. If the first fluid 22 of the system for converting energy 2, in particular an exhaust gas or flue gas of a gas turbine plant 20, flows into the first line system 43 via at least the first fluid inlet 41 as the first fluid 22, the first fluid 22 flows over the or the first fluid 22. the heat exchanger elements 43a heat to the surrounding water in the boiler room 40a.
  • the third fluid 32 of the further system for converting energy 3, in particular an exhaust gas or flue gas of the heating burner 30, can be flowed into the second line system 44 as a third fluid 32, the third fluid 32
  • the third fluid 32 Alternatively or in addition to the heat transfer of the first fluid 22 in turn via the or the heat exchanger elements 44a can deliver heat to the surrounding water in the boiler room 40a. Due to the heat transfer at at least one of the heat exchanger elements 43a, 44a, water is now evaporated, with the water vapor collecting in the second volume zone of the boiler chamber 40a. From there, the steam can then be supplied via the boiler outlet 47 as a second fluid 48 of the energy converter system 1 of a use.
  • thermal energy of the first and / or third fluid flow 22, 32 other useful fluids may also be considered instead of water.
  • other useful fluids may also be considered instead of water.
  • ammonia, thermal oil, suitable hydrocarbons or other suitable useful medium or useful fluid can be provided, which in a boiler by heat at a given temperature, a phase transition, in particular from a liquid to a gaseous phase.
  • the line systems 43, 43a; 44, 44a in each case shown formed einschubig.
  • at least one of the line systems 43, 43 a; 44, 44 a of the boiler 40 is two-, three- or Latitude trained.
  • a combustion or flame tube of the further system for converting energy 3, 30 at least partially, in particular at least 50% of a longitudinal extent of the combustion or flame tube, preferably almost the entire combustion or flame tube extends into the boiler chamber 40a, wherein it merges into the second line system 44, 44a at an end remote from the further system for converting energy 3, 30.
  • a third embodiment of the invention is shown in Fig. 2b. This embodiment differs from the circuit diagram according to FIG.
  • the plant for converting energy 2 is preferably designed as a gas turbine plant 20, in particular as a partially recuperated micro gas turbine 20c, the partially recuperated micro gas turbine 20c having the advantages of the invention already described with reference to FIG. Alternatively, however, it would also be possible to use a non-recuperated micro gas turbine 20a or recuperated micro gas turbine 20b, as are known from FIGS. 1 b or 1 c.
  • The desires to carry out analogous to FIG. 2a as a boiler 40.
  • the first fluid flow 22 will continue to be used as a fuel and / or oxidant flow 30 a, depending on a remaining heating value and / or oxidant content of the further system for converting energy 3, 30.
  • the first fluid stream 22 after heat release in the heat transfer system 4, 40 serves as a preheated oxidant stream in the other plant for the conversion of energy 3, 30.
  • the third fluid 32 produced in the other plant for the implementation of energy 3, 30 is analogous 2a to the heat transfer system 4, 40 via a second fluid inlet 42 for heat transfer to the Nutzfluid and providing the second fluid stream 48 is supplied.
  • the embodiment according to FIG. 2b corresponds to the configurations known from FIG.
  • Fig. 2c shows a development of the embodiment of Fig. 2a as a fourth embodiment.
  • a branching element 51 in particular an adjusting, control or adjustable branching valve flap 51, is provided in the return line 50.
  • the branching element 51 the recirculated first fluid flow 22 can be divided into a first and a second partial flow 51 a, 51 b.
  • a quantitative ratio in particular a Lucas L. Flue gas mass ratio between the two partial flows 51 a, 51 b are set, controlled or regulated via the branching element 51.
  • the first partial flow 51 a is preferably supplied to the further system for converting energy 3, 30.
  • this supply can be loger way to Fig. 2b done.
  • the mixer 52 preferably comprising a mixture of an oxidant stream 52a and the first part stream 51 a brought about. This mixture can then be supplied to the further plant for converting energy 3, 30.
  • the second substream 51b can preferably be discharged from the inventive energy converter system 1 according to FIG. 2b, released and / or fed to a subsequent system, for example an exhaust gas treatment, for further use and / or after-treatment.
  • a simplified embodiment of an energy converter system 1 according to FIG. 2c can be achieved by using a simple line branching instead of an adjustable, controllable or controllable branching element.
  • An adjustment of a mixing ratio between the first partial flow 51 a of the returned fluid and the oxidant onsstoffstrom 52 a can then be achieved via a controlled and / or controlled mixer 52.
  • an embodiment according to the invention of an energy converter system according to FIG. 2c may have a gas turbine plant designed as a partially recuperated micro gas turbine 20c, the partially recuperated micro gas turbine 20c having the advantages according to the invention already described with reference to FIG.
  • a non-recuperated micro gas turbine 20a or recuperated micro gas turbine 20b could also be used, as are known from FIG. 1 b or FIG. 1 c.
  • a modification of the preceding figures could consist in the fact that the two fluid flows leaving the fluid outlets 45, 46 of the heat transfer system 4, 40 are at least partially brought together after release in order to release together a further use and / or aftertreatment - for example, an exhaust gas treatment - to be fed.
  • the two fluid outlets leaving the fluid outlets 45, 46 of the heat transfer system 4, 40 are guided via an additional mixer (not shown here pictorially). This may be particularly advantageous if the merged fluid streams at least partially via a return line 50 analogous to the embodiments of FIGS. 2a and 2b to be used.
  • a fifth embodiment of an energy converter system 1 according to the invention is shown in FIG. 3a as a modification of the embodiment according to FIG. 2b.
  • the first fluid flow recirculated from the first fluid outlet 45 of the heat transfer system 4, 40 to the return line 50 is used as a heat source for a heat exchanger 60 which supplies a fuel and / or oxidant flow 30a to the supply of the further energy conversion plant 3, in particular the heating burner 30 supplies heat, in particular preheats this.
  • a heat exchanger 60 which supplies a fuel and / or oxidant flow 30a to the supply of the further energy conversion plant 3, in particular the heating burner 30 supplies heat, in particular preheats this.
  • Fig. 3b shows a first modification of the example of Fig. 3a as a sixth embodiment.
  • the two fluid flows 22, 32 leaving the heat transfer system 4, 40 at the two fluid outlets 45, 46 are combined and fed via the return line 50 to the heat exchanger 60 as a heat source.
  • an even higher heat transfer at the heat exchanger 60 can advantageously be achieved than in the example according to FIG. 3a, since the thermal energy entrained with both fluid streams 22, 32 is available in the heat exchanger 60 for heat transfer to the fuel and / or oxidant stream.
  • a design based on a combination of the embodiments according to FIGS. 2b and 3b may also be used, as shown in FIG. 3c.
  • the first partial flow 51 a analogous to the example of FIG. 2b are fed to a mixer 52, while the second partial flow 51 b serves as a heat source for the heat exchanger 60 for preheating the fuel and / or oxidant stream 30a.
  • the thus preheated fuel and / or oxidant stream 30a is then mixed in the mixer 52 with the first partial flow 51 a and fed in the premixed form of the other plant for the implementation of energy 3, 30.
  • An alternative embodiment not shown here, for example according to FIG. 3c, provides for each of the two at the fluid outlets 45, 46 of the heat exchanger.
  • meübertragungssystems 4, 40 provided fluid streams 22, 32 before a separate return line.
  • One of the two return lines supplies the heat exchanger 60, while the other return line is supplied to the mixer 52.
  • Such a circuit is particularly preferred over the circuit according to FIG. 3 c, in particular, when the two fluid streams 22, 32 are not allowed to be mixed with one another from the point of view of emissions law.
  • the heat transfer system 4 is designed as at least two-tank boiler 40 - in particular large boiler, large-capacity boiler, waste heat boiler or steam generator - with at least two separate line systems 43, 44 for the passage of the first and third fluid 22, 32.
  • FIGS. 1-10 analogously to the examples of FIGS.
  • FIG. 4a An alternative embodiment as the seventh embodiment of an energy converter system 1 according to the invention is shown in FIG. 4a.
  • the energy Transducer system 1 according to FIG. 4a in this case comprises a first heat transfer system 2, a second heat transfer system 4 and a third heat transfer system 3, wherein the plant for converting energy 2 via a line 5 connected to the fluid outlet 21 with the further system for the implementation of Energy 3 is connected.
  • the system for the conversion of energy 2 is analogous to the embodiments of the preceding figures as a gas turbine plant 20, in particular as a partially recuperated micro gas turbine 20c executed, wherein the partially recuperated micro gas turbine 20c already described for Fig. 1 d, inventive advantages ago having.
  • the first fluid stream 22 can be supplied or admixed in the heating burner 30 at least as a supplement to a supply stream of fuel and / or oxidant, not shown here, preferably essentially as a fuel stream or oxidant stream for supplying the heating burner 30 be used.
  • the first fluid flow 21 is added to a fresh air flow of the heating burner 30 or injected parallel to a fresh air flow into a combustion chamber of the heating burner 30.
  • the smoke or exhaust gases thus produced are treated as a third fluid stream 32 via a fluid outlet 31 of the heating burner for further use from the heating burner issued.
  • the fluid outlet 31 of the further plant for converting energy 3, 30 is connected via a line 6 to a fluid inlet 41 of the heat transfer system 4.
  • the heat transfer system 4 embodied as a boiler 40 has only one line system 43.
  • the line system 43 in particular a part extending in the interior of a boiler chamber 40a, is formed at least in sections as a heat exchanger 43a, 44a or as a heat exchanger element 43a, 44a.
  • a heat exchanger element 43a is understood as meaning, in particular, a spiral-shaped, fan-like, plate-shaped and / or corrugated shape of a section of the line system 43, which provides an enlarged surface in relation to the rest of the line system 43.
  • the enlarged surface is intended to favor a heat entrained with the fluid 32 conducted through the conduit system 43 for heat transfer to a medium or fluid, in particular working medium or working fluid, which is in contact with the heat exchanger element 43a.
  • a useful medium or useful fluid which is characterized by a suitable heat input or heat transfer by means of the heat exchanger 43a or the heat exchanger element 43a, is at least partially in phase with a phase transition of one first phase to a second phase.
  • the useful medium or useful fluid passes through a sublimation and / or evaporation at least partially a vapor phase or a vapor.
  • this steam is provided and / or removed as second fluid stream 48 or second fluid 48 for further use.
  • the line system 43, 43a is expediently designed such that the second fluid 32, in particular an exhaust gas or flue gas, with a temperature, in particular a flue gas temperature between 300 ° C and 1200 ° C, preferably between 350 ° C and 900 ° C, especially preferably between 350 ° C and 750 ° C, and a mass flow between 0.5 kg / s and 4.0 kg / s, in particular between 0.8 kg / s and 3.0 kg / s passed through the conduit system 43, 43a can be.
  • a temperature in particular a flue gas temperature between 300 ° C and 1200 ° C, preferably between 350 ° C and 900 ° C, especially preferably between 350 ° C and 750 ° C
  • a mass flow between 0.5 kg / s and 4.0 kg / s, in particular between 0.8 kg / s and 3.0 kg / s passed through the conduit system 43, 43a can be.
  • the line system 43, 43a is further preferably designed such that a pressure drop of the respective fluid flow 32 between an input-side and an output-side connection 41, 45 of the line system 43, 43a is less than 10%, preferably less than 4%, particularly preferably less than 2 %, ideally less than 0.5% of an input-side print level.
  • a boiler 40 according to the invention may further comprise a boiler inlet, not shown here, for supplying the useful medium or Nutzflu- ides, in particular the Nutzmediums or Nutzfluides in a first phase.
  • the supply can take place at regular and / or irregular intervals and / or as a substantially permanent influx or permanent supply.
  • the boiler chamber 40a has at least two volume zones, wherein in a first volume zone the useful medium or useful fluid is present substantially in its first phase and in a second volume zone the useful medium or useful fluid substantially in its second phase.
  • substantially in one phase is meant in particular that the proportion of this phase in the Bacmen- ge, in particular the total mass and / or the total volume of the Nutzmediums or Nutzfluides in this volume zone of the boiler room 40 a at least 50%, preferably at least 70% and particularly preferably at least 80%.
  • the fluid inlet 41 of the line system 43, 43a with respect to the boiler space 40a in the first volume zone, i. in a portion of a boiler housing, which limits the first volume zone, are arranged.
  • the fluid outlet 45 may be positioned relative to the boiler space 40a in the second volume zone, i. in a portion of a boiler housing, which limits the second volume zone, be arranged.
  • the boiler outlet 47 is preferably with respect to the boiler room 40a in the second volume zone, i. in a portion of a boiler housing, which limits the second volume zone arranged.
  • the boiler outlet is preferably with respect to the boiler room 40a in the first volume zone, i. in a portion of a boiler housing, which limits the first volume zone arranged.
  • the primary energy converted in the plant for converting energy 2, 20 is used on the one hand to generate mechanical energy and on the other hand to provide thermal energy via the heat transfer system 4, 40. Since the first fluid flow 22 carrying the heat energy is coupled into the heat transfer system 4, 40 via the further system for converting energy 3, 30 or is supplied to the heat transfer system 4, 40, the additional system can be provided via additional provision of further thermal energy for the conversion of energy 3, 30 the amount of heat energy provided in the third fluid stream 32 can be increased.
  • the heat energy supplied to the heat transfer system 4, 40 between a lower limit, which essentially results from the amount of heat of the first fluid 21, and an upper limit, which is substantially from the thermal energy of the first fluid 21 and the maximum thermal energy of the heating burner 30 results modulated.
  • a lower limit which essentially results from the amount of heat of the first fluid 21, and an upper limit, which is substantially from the thermal energy of the first fluid 21 and the maximum thermal energy of the heating burner 30 results modulated.
  • FIG. 4b shows a first extension of the inventive energy converter system 1 according to FIG. 4a as the eighth exemplary embodiment.
  • the cooled in the boiler 40 after heat to the working fluid or Nutzfluid in the boiler 40 third fluid 32 is supplied via the fluid outlet 45 to a downstream preheater 70 as a heat source.
  • the preheater 70 is preferably constructed as a heat exchanger and provided to transfer at least a portion of the residual heat entrained with the third fluid 32 cooled in the boiler 40 to a fluid stream, in particular a fuel and / or oxidant stream 30a.
  • the fluid stream 3 b preheated in the preheater 70 is fed to the further system for converting energy 3, in particular the heating burner 30.
  • the gas turbine burner of the gas turbine plant 20, 20a, 20b, 20c, not shown here can also be supplied with the preheated fluid flow 3b, as shown by the dashed arrow.
  • a fresh air flow 3a is preheated to the fresh air supply of the heating burner 30 and / or the gas turbine burner in this way.
  • this example corresponds to the embodiment of Fig. 4a, to the description of which reference is made at this point.
  • the line system 43, 43a is shown as being of single-formed design. But it can also be an advantage the conduit system 43, 43 a of the boiler 40 two-, three- or Momony form.
  • FIG. 5 A further alternative embodiment of an energy converter system 1 according to the invention is shown in FIG. 5 as a ninth exemplary embodiment.
  • the heat transfer system 3 is designed as a boiler 40, in particular as a large-capacity boiler, as a waste heat boiler or as a high-speed steam generator, which has at least a three-pass line system 43 for passing a heat-conducting fluid flow.
  • the line system 43 has at least two fluid inlets 41, 42 and a fluid outlet 45.
  • the at least part of the line system 43 arranged in the interior of a boiler chamber 40a can be formed at least in sections as a heat exchanger 43a or heat exchanger element 43a in the sense of the examples described above be.
  • the boiler 40 is provided or designed according to FIG. 5 to heat a Nutzflu- id provided in the boiler room 40a, to heat and / or at least partially by sublimation and or to convert evaporation to a gas phase and to provide the gas phase or a fluid at least partially comprising the gas phase as the second fluid 48 via the boiler outlet 47 for further use.
  • the features relating to the arrangement of the fluid inlets 41, 42, of the fluid outlet 45 and / or of the boiler outlet 47 can also be taken from the description of the preceding examples.
  • the line system 43, 43a of the boiler 40 according to FIG. 5 has at least one, preferably at least two or more deflections or deflecting chambers 43b, 43c running inside the boiler chamber 40a.
  • a deflection or deflection chamber 43b, 43c is in particular a limited by a conversion volume with an input and a In the output, the flow direction of a fluid flowing in the line system 43, 43a, when viewed from the fluid inlet, undergoes a change in direction, in particular an almost complete reversal of direction, in the deflection.
  • the deflections 43b, 43c can each be designed as a line or pipe section whose extension direction in a flow direction between an input side and an output side of the line or pipe section is aligned at least at an angle different from zero. In a preferred embodiment, the angle is between approximately 90 ° and 180 °.
  • at least one deflection or deflection chamber 43b, 43c can also be designed as described in FIG. 1e or FIG. 1f.
  • the boiler 40 according to FIG. 5 is further characterized in that the first fluid inlet 41 opens directly into the conduit system 43, 43a.
  • the second fluid inlet 42 is realized via a pipe section 42a, which protrudes on the input side as a second fluid inlet 42 from a boiler housing of the boiler 40 and the output side in the first deflection 43b opens.
  • the pipe section 42a is designed such that a fluid flowing in via the second fluid inlet 42 intermixes at the mouth into the line system 43, 43a into the flow of the fluid already flowing in the line system 43, 43a, preferably almost without interference, but at least with little interference meddling.
  • a disturbance is understood as meaning, in particular, the formation of an at least locally turbulent flow in the region of the confluence and / or an at least partial inflow of the inflowing fluid counter to the flow direction of the fluid already flown in via the first fluid inlet 41 in the line system 43.
  • suitable means for suppressing turbulence in the region of the orifice - such as, for example, can be provided.
  • B. Leitgitter or guiding elements - and / or mixing elements - such.
  • B. a mixer - be provided.
  • the plant for converting energy 2, in particular the gas turbine plant 20 is connected to the second fluid inlet 42 of the boiler 40 via a line 5 connected to the fluid outlet 21.
  • the gas turbine plant 20 is preferably embodied as a partially recuperated micro gas turbine 20c, the partially recuperated micro gas turbine 20c having the advantages according to the invention already described with reference to FIG. 1 d.
  • the further system for converting energy 3, in particular the heating burner 30, is connected to the first fluid inlet 41 of the boiler 40 via a line 6 connected at its fluid outlet 31.
  • a heat transfer essentially takes place from the third fluid stream 32 to the useful medium or useful fluid in the boiler chamber 40a.
  • a heat transfer from the now mixed first and third fluid 22, 32 to the useful medium or useful fluid can take place.
  • the third fluid 32 which has already delivered heat energy to the useful medium or useful fluid in the first section, is also reheated by the contact with the not yet cooled first fluid 31, whereby a heat transfer can proceed in a more homogenized manner. This is particularly advantageous when there are large differences in temperature and / or heat capacity and / or amount of heat between the first and third fluid.
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment of the example according to FIG. 5 as a tenth embodiment of an energy converter according to the invention.
  • Systems 1 By way of derogation, in the preceding example, the pipe section 42a forming the second fluid inlet 42 into the line system 43, 43a of the boiler 40 according to FIG. 6 only opens into the line system 43, 43a at the second deflection 43c.
  • a more compact embodiment of the energy converter system 1 can be realized, since both can be arranged with primary energy supplied heat transfer systems 2 and 3 on one side of the heat transfer system 4, 40 and thereby the lines 5 and 6 can be kept as short as possible.
  • Short lines 5, 6 also have the advantage of cost-effectively reducing any line losses incurred, in particular heat and / or pressure losses. Otherwise, the embodiment of FIG. 6 corresponds to that of the embodiment of FIG. 5.
  • a first advantageous development of the embodiment of FIG. 6 is shown in Fig. 7.
  • a branching element 80 in particular a control and / or controllable control valve / flap, is provided in the line 5 passing from the system for converting energy 2, 20 to the heat transfer system 4, 40.
  • the branching element 80 a first part of the first fluid 21 can be supplied to the further system for converting energy 3, in particular the heating burner 30, as already described in some of the preceding embodiments (see in particular FIGS. 2a-b, 3a-c) ) is similarly known.
  • a second part of the first fluid 21 is supplied to the second input 42 of the heat transfer system 4, 40 as in FIG.
  • FIGS. 5, 6 and 7 result, inter alia, by combination with the embodiments of FIGS. 2 a to 4 b, wherein in particular one or more return lines 50 and / or mixers acting on the fluid outlet 45 52 and / or heat exchanger 60 and / or preheater 70 may result in an advantageous embodiment of an inventive energy converter system 1 with a heat transfer system 4, 40 of FIG. 5 or 6.
  • a circuit diagram of a particularly preferred embodiment of an energy converter system 1 according to the invention is shown as the twelfth embodiment in FIG. 8a.
  • the energy converter system 1 contains a particularly closely coupled together embodiment of a heating burner 300 and a boiler 40, wherein the heating burner 300 the another plant for the implementation of energy 3 and the boiler 40, the heat transfer system 4 form.
  • the partially recuperated micro gas turbine 20c has the advantages according to the invention already described with reference to FIG. Alternatively, however, it would also be possible to use a non-recuperated micro gas turbine 20a or a recuperated micro gas turbine 20b, as are known from FIG. 1 b or FIG. 1 c.
  • a flame or combustion tube 301 extends at least partially, in particular at least half, preferably almost completely up to the boiler room 40a.
  • a flame or combustion tube 301 is understood as meaning, in particular, a hollow volume structure with a preferably cylindrical and / or polygonal cross section, in the interior of which an exothermic redox reaction, in particular combustion of at least one fuel with at least one oxidant, takes place.
  • the flame or combustion tube 301 covers or comprises at least one flame and / or flame front forming during combustion.
  • the volume structure preferably has a main extension direction, which preferably runs essentially parallel to a flame direction of the flame and / or flame front.
  • a burner 310 is arranged at a first end face 301 a of the flame or combustion tube 301.
  • the burner 310 substantially shuts off the flame or combustion tube 310 towards this side.
  • the Fig. 8b shows a schematic side sectional illustration of a heating burner 300, in particular a burner 310, and a section of the flame or combustion tube 301 adjoining the burner 310.
  • a transition between the flame or combustion tube 301 and the line system 43 is preferably designed such that the smoke or exhaust gas produced in the reaction of the fuel and the oxidizing agent in the flame or combustion tube 301 passes almost completely, preferably completely, into the line system 43 can.
  • the line system 43, 43a is embodied analogously to the exemplary embodiments described above, so that with regard to the features of the line system 43, 43a reference is made to the description there.
  • the first heat-carrying fluid 22, in particular smoke or exhaust gas 22, released via the fluid outlet 21, the plant for converting energy 2, 20, 20a, 20b, 20c is supplied via a line 5 to the heating burner 300 so that it can be injected or injected into the fuel or flame tube 301.
  • the first heat-carrying fluid 22 now contributes to a heating or enrichment with thermal energy of the third fluid 32 formed or forming in the flame or combustion tube 301.
  • the third fluid 32 comprises the smoke or exhaust gases formed during the exothermic conversion by the burner 310, the first fluid 22 and / or, in particular gaseous, during the further conversion of the first fluid 22 in the flame or combustion tube 301 reaction products.
  • the third fluid 32 is a mixture of the aforementioned fluids.
  • a useful medium or useful fluid present in the boiler chamber 40a can experience heat transfer, in particular heat input, in two ways. On the one hand, heat exchange between the fluid present in the flame or combustion tube 301 and the useful medium or useful fluid can already take place via an outer jacket surface 301 b of the part of the flame or combustion tube 301 extending into the boiler chamber 40 a.
  • the outer lateral surface 301b may be provided with a surface which promotes heat transfer, in particular a surface structure and / or with heat exchanger elements.
  • the outer lateral surface 301b could be at least partially a corrugated surface and / or porous, z. B. have honeycomb wall elements.
  • a compensation structure in the lateral surface 301 b may be provided, which compensates for a thermally induced change in length of the longitudinal extent of the flame or combustion tube 301.
  • the term "open-pore" is understood in particular to mean that the surface or structural elements having pores or pores are impermeable to the useful medium or useful fluid but impervious to the fluid present in the interior of the flame or combustion tube 301.
  • a compensating structure can advantageously be provided in the lateral surface 301b, which compensates for a thermally induced change in length of the longitudinal extent of the flame or burner tube 301.
  • the heat transfer system 4, 40 does not differ from the embodiments in the previously described embodiments, in particular according to FIGS. 4a and 4b.
  • the extensions and / or modifications described there can also be transferred in a very analogous manner to the heat transfer system 4, 40 of the embodiment according to FIG. 8a. conditions, so that with respect to such features reference is made to the description of the preceding embodiments.
  • FIG. 8b furthermore shows a particularly preferred embodiment of a burner 310 for use in an inventive energy converter system 1 according to FIG. 8a or the following FIG. 9.
  • a burner 310 can also be used, for example, in energy converter systems 1 according to FIGS Fig. 4a, 4b and be used in other Schubrenner boiler combinations.
  • the burner 310 includes a flange unit 320 and burner module 330 with at least one fuel supply not shown here and an oxidant supply.
  • Flange unit 320 is provided for fixing burner 310 to a heating-element housing 300 a, a boiler housing or another housing unit, in particular to fix it in a detachable or replaceable manner.
  • the burner module 330 is provided to convert a fuel supplied to the burner module 310 via the fuel supply, in particular a fuel line, with an oxidant supplied via the oxidant supply in an exothermic redox reaction, in particular combustion, such that a heat-carrying fluid, in particular smoke or exhaust gas arises.
  • a variety of different burner modules 330 is known to the person skilled in the art, the specific embodiment of which does not have any direct influence on the idea of the invention.
  • the burner 310 according to the invention additionally has an admixing unit 340 for supplying a predominantly gaseous fluid, in particular the first fluid 21.
  • the gaseous fluid supplied via an admixing unit 340 remains separated from the at least one fuel and the at least one oxidizing agent until its exothermic conversion has at least begun in a flame region 331 adjoining the burner module 330.
  • the admixing unit 340 is designed as a mixing plate 341.
  • the mixing plate 341 in this case has a central bore 342, in which the combustion module 330 is received and preferably fixed.
  • a burner nozzle 332 is guided through the mixing chamber 340 in the direction of the flame region 331 via the bore 342.
  • the mixing plate 341 may also have a suitable bore for receiving and passing the burner nozzles 331 for each of the burner nozzles 332.
  • the mixing plate 341 receives more than one burner module 330 and carries out its combustion nozzles 332 in the direction of the flame region 331.
  • at least one injection nozzle 343 is provided in the end face of the mixing plate 341 facing the flame region 331, preferably there are two, three or more injection nozzles 343.
  • An injection nozzle 343 is designed to be the gaseous fluid supplied to the admixing unit 340, in particular the first fluid 22 of the plant for the implementation of energy 2 in the flame area 331 injectable or injectable provide.
  • Injectable or injectable is understood here in particular to allow a gaseous fluid to flow via a nozzle or an inlet valve into a volume region, in particular to discharge into the volume region under a pressure which is increased in relation to a pressure in the volume range.
  • a suitable injection nozzle 343 may in particular have at least one inlet gap and / or one inlet opening.
  • the injection nozzle 343 may have a valve and / or flap device for changing a flow.
  • the injection nozzles 343 are distributed uniformly around the burner nozzle 332, in particular concentrically around the burner nozzle 332 and / or at uniform angular intervals over the burner nozzle 332 arranged around the burner nozzle 332 extending circumference of the flame region 331 facing the front side of the mixing plate 341. If more than one burner nozzle 332 is provided, an analog arrangement of the injection nozzles 343 around each of the burner nozzles 332 may be advantageous.
  • the injection nozzle 343 is designed to be controllable and / or controllable.
  • a control and / or controllable nozzle is understood in particular to mean a nozzle which can be influenced by a control or regulation unit in a flow or injection behavior. It can be provided that a flow or injection quantity or rate between at least two states -. Open / closed; open / partially open; open / partially open / closed - can be switched. It can also be provided that a flow rate or injection quantity or rate can be selected at least virtually continuously between 0 and 100% of the maximum possible flow rate.
  • the first fluid 22 is supplied to the admixing unit 340 via the line 5 from the system for converting energy 2, 20, 20a, 20b, 20c.
  • at least one distributor channel 344 is provided in the mixing plate 341 in the preferred embodiment shown in FIG. 8b.
  • the distribution channel 344 in this case has at least one supply input 345, via which the gaseous fluid is supplied to the admixing unit 340 and to which, in particular, the line 5 can be connected.
  • the supply input 345 is preferably arranged on a side of the mixing plate 341 facing away from the flame region 331.
  • the injection nozzles 343 are in turn connected to the distribution channel 344, so that all the injection nozzles 343 can be supplied with the first fluid 22 via the distribution channel 344.
  • the distribution channel 344 is preferably designed such that the first fluid 22 at each injection nozzle 343 with almost identical fluid properties, in particular temperature and pressure and / or chemical composition is applied.
  • the distribution channel 344 is designed as an annular channel.
  • a cross-section of the annular channel may in particular have a profile profile over a circumferential direction in the annular channel, in particular to compensate for the local fluid properties.
  • an inventive energy converter system according to FIG. 8a can be realized particularly advantageously and compactly.
  • FIG. 9 A first extension of an inventive energy converter system 1 according to FIG. 8 a with a burner 300 according to FIG. 8 b is shown in FIG. 9.
  • the embodiment according to FIG. 9 differs from the energy converter system according to FIG. 8a in that the third fluid 32 released at the fluid outlet 45 is at least partially returned to the heating burner 300 via a return line 50.
  • the line system 43, 43a of the examples according to FIGS. 8 and 9 are each shown as one-off. However, it can also bring advantages if the line system 43, 43a is designed to be two, three or more generous, as has already been described in the descriptions of FIGS. 1a-f and 4a-b.
  • gas turbine burner 201 and / or the heating burner 30, 300 is / are designed as bi- or tri-valent burners for two or three fuels or even as multi-fuel burners.
  • An energy conversion system 1 comprises a first heat transfer system 2, in particular a gas turbine plant 20, 20a, 20b, 20c, and a second heat transfer system 4 in the form of a boiler 40.
  • the plant for converting energy 2 , 20, 20a, 20b, 20c stands with the heat transfer system 4, 40 via a fluid stream 22 in a heat transfer relationship, in particular via a first fluid 22 heat from the plant for the implementation of energy 2, 20, 20a, 20b, 20c to the heat transfer system 4, 40 can be transmitted.
  • the plant for converting energy 2, 20, 20a, 20b, 20c comprises a gas turbine burner 201, the exhaust gases 201 c for providing and transmitting mechanical energy to a power consumer 202, 204, in particular an electric generator 204, at least partially fed to a turbine 203 and its exhaust gases 201 c, 203c at least partially the one fluid stream 22, in particular form the first fluid 22.
  • the gas turbine plant 20 of the energy converter system 1 according to the invention as a partially recuperated micro gas turbine 20c.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiewandler-System (1) umfassend eine Anlage zur Umsetzung von Energie (2), die einen wärmeführenden Fluidstrom aus einem ersten Fluid (22) bereitstellt, und ein Wärmeübertragungssystem (4) in Form eines Kessels (40), der mit der Anlage zur Umsetzung von Energie (2, 20, 20a, 20b, 20c) über den Fluidstrom aus dem ersten Fluid (22) in einer Wärmeübertragungsbeziehung steht. Dabei wird vorgeschlagen, dass die Anlage zur Umsetzung von Energie (2) eine Gasturbinenanlage (20, 20a, 20b, 20c) mit einen Gasturbinenbrenner (201) ist, dessen Abgase (201c) zur Bereitstellung und Übertragung von mechanischer Energie an einen Kraftverbraucher (202, 204), insbesondere einem elektrischen Generator (204), wenigstens teilweise einer Turbine (203) zugeführt werden und dessen Abgase (201c, 203c) wenigstens teilweise den Fluidstrom aus dem ersten Fluid (22) bilden.

Description

Energiewandler-System und Baugruppen hierfür Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Energiewandler-System mit einer Anlage zur Umsetzung von Energie, die einen wärmeführenden Fluidstrom aus einem ersten Fluid bereitstellt, und mit einem Wärmeübertragungssystem in Form eines Kessels, der mit der Anlage zur Umsetzung von Energie über den Fluidstrom in einer Wärmeübertragungsbeziehung steht. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Bereitstellung elektrischer und thermischer Energie mit einem Energiewandler-System nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Unter einem Energiewandler-System wird dabei insbesondere ein System zur gleichzeitigen Bereitstellung von mechanischer und thermischer Energie, im Speziellen ein System aus einem Kessel, insbesondere einem Warmwasserkessel, Heißwasserkessel oder einem Dampfkessel, und zumindest einer Gasturbinenanlage verstanden. Unter einem Warmwasserkessel wird dabei insbesondere eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Nutzmediums oder Nutzfluids, vorzugsweise ein Kessel zur Bereitstellung eines gegenüber einem Ausgangszustand, insbesondere auf eine Umgebungstemperatur erwärmten Nutzmediums oder Nutzfluids, insbesondere einer Flüssigkeit verstanden. Unter einem Heißwasserkessel wird dabei insbesondere eine Vorrichtung zur Erhitzung eines Nutzmediums oder Nutzfluids, vorzugsweise ein Kessel zur Bereitstellung eines gegenüber einem Ausgangszustand, insbesondere einer Umgebungstemperatur stark erwärmten, vorzugsweise bis nahe an einen Siedepunkt erwärmten Nutzmediums oder Nutzfluids, insbesondere einer Flüssigkeit verstanden. In der Re- gel tritt bei einem Warm- oder Heißwasserkessel im Nutzmedium oder Nutz- fluid nur zu einem geringen Teil ein Phasenübergang, insbesondere eine Sublimation oder Verdampfung auf. Unter„einem geringen Teil" wird dabei insbesondere verstanden, dass allenfalls eine ungesättigte Dampfphase des Nutzmediums oder Nutzfluids entsteht. Bei einem Warm- oder Heißwasserkessel wird dabei insbesondere das Nutzmedium oder Nutzfluid in seiner flüssigen Phase als bereitgestelltes Abgabefluid an einem Kesselausgang für eine nachfolgende Nutzung zur Verfügung gestellt.
Unter einem Dampfkessel wird dabei insbesondere eine Vorrichtung zur Erwärmung, Erhitzung oder Herbeiführung eines zumindest partiellen Phasenübergangs eines Nutzmediums, insbesondere eines Fluides, bevorzugt einer Flüssigkeit verstanden. Ein partieller Phasenübergang meint in diesem Zusammenhang insbesondere ein Verflüssigen, Verdampfen und/oder Subli- mieren von Teilen des Nutzmediums.
Ein bevorzugtes Nutzmedium bzw. Nutzfluid kann dabei Wasser, Ammoniak, Thermoöl, geeignete Kohlenwasserstoffe oder aber ein anderes geeignetes Medium sein, welches in einem Kessel durch Wärmezufuhr bei gegebener Temperatur einen Phasenübergang, insbesondere von einer flüssigen in eine gasförmige Phase vollzieht. Kessel der im Vorhergehenden beschriebenen Arten können dabei als Abhitzekessel, Rohrwasserkessel oder Großraumwasserkessel ausgebildet sein, wobei auch Kombikessel mit einer Abhitzezone, Rohrwasserzone und/oder Großraumzone von Nutzen sein können. Unter einem Abhitzekessel wird dabei insbesondere ein Kessel verstanden, der von einer Abwärme einer vorgeschalteten, Wärme erzeugenden Einheit beheizt wird und ohne eigenen Heizbrenner auskommt. Analoges gilt für eine Abhitzezone. Unter einem Rohrwasserkessel wird insbesondere ein Kessel verstanden, bei dem das Nutzmedium oder Nutzfluid, vorzugsweise Wasser durch ein Rohrleitungssystem in dem Kessel geführt und dabei erwärmt bzw. erhitzt wird. Ein Rohrwasserkessel oder eine Rohrwasserzone kann dabei auch als Durchlauferhitzer bezeichnet werden. Demgegenüber wird unter einem Großraumwasserkessel bzw. einer Großraumzone insbesondere ein Kessel bzw. eine Zone im Kessel verstanden, in der ein Reservoir an Nutzmedium bzw. Nutzfluid, vorzugsweise Wasser vorgesehen ist, in das Wärme zur Aufheizung eingeleitet wird. Dabei kann die Wärme vorzugsweise mittels Wärmestrahlung und/oder Kontaktwärmeübergang und/oder Konvektion und/oder Diffusion von einer Wärmequelle, beispielsweise eines Kesselzugs oder Leitungssystems auf das Nutzmedium oder Nutzfluid im Reservoir übertragen werden. Unter einem Reservoir wird dabei insbesondere ein Volumen verstanden, in welchem das Nutzmedium oder Nutzfluid vorwiegend ruhend vorgehalten oder bevorratet wird.
Im Stand der Technik sind bereits des weiteren verschiedenste Energiewandler-Systeme zur gleichzeitigen Bereitstellung von mechanischer und thermischer Energie bekannt, die in der Regel eine Anlage zur Umwandlung von Energie mit einer Brennereinheit zur Umwandlung chemischer Energie in Wärmeenergie durch exotherme Oxidation eines Brennstoffs mit einem Oxi- dationsmittel aufweisen. Weiter umfassen die bekannten Energiewandler- Systeme eine Wärme-Kraft-Einheit zur Umwandlung eines Teils der in der Anlage zur Umsetzung von Energie freigesetzten Wärme in eine mechanische Energie sowie ein Wärmeübertragungssystem zur Übertragung eines zweiten Teils der freigesetzten Wärme auf ein Nutzmedium. Die mechanische Energie wird dabei häufig zum Antrieb eines Generators zur nachgelagerten Umwandlung der mechanischen in elektrische Energie verwendet, da diese sich u. a. vorteilhafterweise über größere Strecken transportieren und/oder verteilen lässt. In einer häufigen Anwendung ist das Nutzmedium ein Fluid, bevorzugt eine Flüssigkeit, die mit durch den Wärmeeintrag aus dem zweiten Teil der freigesetzten Wärme zu einem Phasenübergang angeregt wird, wobei es insbesondere zu einem Verflüssigen, Verdampfen und/oder Sublimieren eines Teils des Nutzmediums kommt, welcher dann nachgelagerten Prozessen zur Verfügung gestellt werden kann. Bekannte Anwendungen dieser Art sind dabei motorische Blockheizkraftwerke mit einer typisch 40:55(60)-Aufteilung zwischen bereitgestellter mechani- scher/elektromechanischer und thermischer Energie - Anteil in Klammern ohne Übertragungsverluste. Werden jedoch größere Mengen an thermischer Energie benötigt, stoßen diese Energiewandler-Systeme an Ihre Grenzen. Ein weiterer Nachteil der motorischen Blockheizkraftwerke ist die nahezu paritätische Aufteilung der bereitgestellten thermischen Energie zwischen einem Abgasstrom, also einem wärmeführenden gasförmigen Fluid, und einem Kühlmittelstrom, also einem wärmeführenden flüssigen Fluid. Die nutzbare thermische Energie teilt sich somit auf zwei Teilströme auf, deren thermische Teilenergien nicht oder zumindest nicht ohne zusätzliche Maßnahmen und damit verbundenen nennenswerten Verlusten als thermische Ge- samtenergie des motorischen Blockheizkraftwerks genutzt werden kann.
Das erfindungsgemäße Energiewandler-System mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, große thermische und mechanische Leistungsdichten und/oder hoher Güte bereitstellen zu können. Dies hat den Vor- teil, einen zur Verfügung stehenden Bauraum hinsichtlich der bereitzustellenden Leistung verbessert ausnutzen zu können, da das gesamte Energiewandler-System bei gegebener Nennleistung äußerst kompakt ausgeführt werden kann. Dazu umfasst das erfindungsgemäße Energiewandler-System - eine Anlage zur Umsetzung von Energie und
- ein Wärmeübertragungssystem in Form eines Kessels, insbesondere eines Dampfkessels. In der Anlage zur Umsetzung von Energie wird Energie, z.B. chemische Energie aus einem fossilen Energieträger, in Wärme und in mechanische Energie umgesetzt. Auch die Anlage zur Umsetzung von Energie ist ein Wärmeübertragungssystem. Hier wird auf ein Fluid Wärme übertragen. Die Anlage zur Umsetzung von Energie stellt einen ersten wärmeführenden Flu- idstrom bereit. Der Kessel steht dabei mit der Anlage zur Umsetzung von Energie über den wärmeführenden Fluidstrom in einer Wärmeübertragungsbeziehung. Insbesondere kann dabei über den wärmeführenden Fluidstrom Wärme von der Anlage zur Umsetzung von Energie an das Wärmeübertragungssystem übertragen werden. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Anlage zur Umsetzung von Energie als eine Gasturbinenanlage, bevorzugt eine Mikrogasturbine ausgeführt ist. Die Anlage weist dabei einen Gasturbinenbrenner auf, dessen Abgase zur Bereitstellung und Übertragung von mechanischer Energie an einen Kraftverbraucher, insbesondere einen elektrischen Generator, wenigstens teilweise einer Turbine zugeführt werden und dessen Abgase wenigstens teilweise den wärmeführenden Fluidstrom, insbesondere ein erstes Fluid bilden. Das Wärmeübertragungssystem stellt seinerseits Wärme über ein zweites Fluid für eine nachfolgende Nutzung zur Verfügung.
Eine besonders bevorzugte Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems kann dadurch erreicht werden, dass die Gasturbi- nenanlage als eine teil-rekuperierte, insbesondere variabel teil-rekuperierte Mikrogasturbine ausgebildet ist. Die teil-rekuperierte Mikrogasturbine weist dabei einen Verdichter zur Bereitstellung eines vorgespannten Oxidationsmit- telstroms, insbesondere Frischluftstroms und einen Rekuperator zur Vorerwärmung des vorgespannten Oxidationsmittelstroms durch Übertragung ei- nes Teils der Wärme des Abgases der Mikrogasturbine, insbesondere von dem ersten Fluidstrom auf den vorgespannten Oxidationsmittelstrom auf. Dabei stellt sich am Fluidausgang der Anlage zur Umsetzung von Energie eine Rauchgastemperatur zwischen 200 und 700°C ein. Unter einer teil-rekuperierten Mikrogasturbine wird dabei insbesondere eine Gasturbinenanlage mit einem Rekuperator zur Übertragung von Abwärme des Abgases auf einen Oxidationsmittelstrom verstanden, bei dem der Wärmeübertrag zwischen dem Abgas und dem Oxidationsmittelstrom durch geeignete Begrenzungsmittel derart begrenzt wird oder ist, dass im Abgas nach einem Passieren des Rekuperators ein nennenswerter Anteil RNutz an einer in einem Wärmeübertragungssystem, insbesondere einem Kessel nutzbaren Abwärme in Form einer Restwärme vorhanden ist. Diese Restwärme wird im erfindungsgemäßen System über den wärmeführenden Fluidstrom, das erste Fluid dem Wärmeübertragungssystem als Wärmequelle zugeführt bzw. bereitgestellt. Unter teil-rekuperiert kann dabei alternativ oder ergänzend auch verstanden werden, dass nur ein bestimmter Bruchteil RRekup einer in einem derartigen Wärmetauscher maximal übertragbaren Wärmeenergie innerhalb des Wärmetauschers, insbesondere des Rekuperators übertragen wird, so dass mindestens ein zuvor festgelegter Anteil RNutz an Wärme im Abgas verbleibt. Im speziellen gilt bei Vernachlässigung immer auftretender Verluste sowie einer nicht-nutzbaren Restwärme: RNutz + RRekup ^ 1 . Die Begren- zungsmittel können dabei so ausgebildet sein, dass eine im Rekuperator bereitstehende Kontakt- und/oder Übertragungsfläche, -zeit oder -zone zwischen dem Abgas und dem Oxidationsmittelstrom entsprechend definiert beschränkt ist/sind und/oder Mittel zur zumindest teilweisen Umgehung des Wärmeübertragers, Rekuperators oder einer Wärmeübertragungszone durch das Abgas und/oder den Oxidationsmittelstrom vorgesehen ist/sind.
Das so ausgebildete, erfindungsgemäße Energiewandler-System hat dabei den Vorteil, dass die durch das Energiewandler-System zur Nutzung bereitgestellte mechanische, elektrische und thermische Energie bei festgehalte- nem Primärenergieaufwand über einen sehr großen Varianzbereich in seiner relativen Aufteilung zwischen den unterschiedlichen Energiearten (mechanisch, elektrisch und thermisch) gezielt eingestellt werden kann. Insbesondere kann ein Verhältnis zwischen RNutz und RRekup über einen Parameterbereich zwischen 0:95 und 95:0, vorzugsweise zwischen 10:90 und 90:10, be- sonders bevorzugt zwischen 30:70 und 70:30 eingestellt werden. Der Bruchteil RRekup kann auch als Rekuperationsgrad bezeichnet werden. Er wird üblicherweise in Prozentangaben wiedergeben. Im Falle der teil-rekuperierten Mikrogasturbine liegt der Rekuperationsgrad zwischen 0 und 95%, bevorzugt kann er zwischen 0 und 95% eingestellt und/oder geregelt werden. Insbe- sondere bei einer variabel teil-rekuperierten Ausführung kann eine derartige Einstellung auch noch nach Installation des Energiewandler-Systems vorgenommen werden. In einer besonders bevorzugten Ausführung bzw. Betriebsweise der teil - rekuperierten Mikrogasturbine kann zusätzlich vorgesehen sein, die für eine nachfolgende Nutzung bereitstellbare Wärmemenge im Abgas auch bei vari- ablem Rekuperationsgrad dadurch im Wesentlichen konstant zu halten, dass ein Massenstrom des dem Gasturbinenbrenner zugeführten Brennstoffs dem veränderten Rekuperationsgrad nachgeführt, insbesondere bei steigendem Rekuperationsgrad abgesenkt und bei sinkendem Rekuperationsgrad angehoben wird. Im Vergleich zu einem motorischen BHKW kann so insbesonde- re die Aufteilung zwischen mechanischer/elektrischer und thermischer Leistungsbereitstellung zwischen 10:85 und 40:55, vorzugsweise zwischen 20:75 und 35:60 einstellbar variiert werden. Alternativ oder ergänzend kann in einer bevorzugten Ausführung bzw. Betriebsweise der teil-rekuperierten Mikrogasturbine vorgesehen sein, die bereitgestellte mechanische/elektrische Energie trotz variierender Anforderung von thermischer Energie im Wesentlichen konstant zu halten, insbesondere im Bereich der Nennleistung des Generators. Die für eine nachfolgende Nutzung bereitstellbare Wärmemenge im Abgas wird dabei über einen variablen Rekuperationsgrad eingestellt, während ein Massenstrom des dem Gasturbinenbrenner zugeführten Brennstoffs dem veränderten Rekuperationsgrad nachgeführt, insbesondere bei steigendem Rekuperationsgrad angehoben und bei sinkendem Rekuperationsgrad abgesenkt wird. Im Vergleich zu einem motorischen BHKW kann im Bereich der mechanischen/elektrischen Nennleistung des Energiewandler-Systems so insbesondere die Aufteilung zwischen mechanischer/elektrischer und thermi- scher Leistungsbereitstellung zwischen 10:15 und 10:60, vorzugsweise zwischen 10:20 und 10:50 einstellbar variiert werden.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass sich das erfindungsgemäße Energiewandler-System mit einer teil-rekuperierten Mikrogasturbine also dadurch auszeichnet, dass bei sich ändernden Anforderungen an die durch das Energiewandler-System bereitzustellenden Mengen an mechanischer/elektrischer und/oder thermischer Energie ein Rekuperationsgrad ei- nes Rekuperators der Gasturbinenanlage und/oder ein Massenstrom eines Brennstoffs eines Gasturbinenbrenners den Anforderungen nachgeführt oder angepasst werden. Insbesondere kann die thermische Leistung auch bei im Nennleistungsbereich konstant gehaltener elektrischer Leistung zwischen einer 40%-igen und einer thermischen Volllast variiert werden. Vorzugsweise erfolgt dieses Variieren nahezu stufenlos. Gegenüber einem motorischen BHKW hat das vorgeschlagene erfindungsgemäße Energiewandler-System außerdem den Vorteil, dass die Nutzenergie in jeder der Energiearten in einer hohen Güte, Energiedichte und/oder Nutzbarkeit bereitgestellt wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Energiewandler-System weiter mindestens eine weitere Anlage zur Umsetzung von Energie, insbesondere einen Heizbrenner oder eine Wärmepumpe. Auch die weitere Anlage zur Umsetzung von Energie ist ein Wärmeübertragungssys- tem, in dem Wärme auf ein weiteres, drittes Fluid übertragen wird. Die weitere Anlage steht dabei über einen Fluidstrom mit dem Wärmeübertragungssystem in einer Wärmeübertragungsbeziehung. Insbesondere kann dabei über das dritte Fluid auch Wärme von der weiteren Anlage an die Anlage bzw. das Wärmeübertragungssystem übertragen werden. Dabei ist vorgese- hen, dass die weitere Anlage über das dritte Fluid Wärme von der weiteren Anlage an das Wärmeübertragungssystem übertragen werden kann. Weiter kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Anlage zur Umsetzung von Energie, welche das erste Fluid bereitstellt, auch mit der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie in einer Wärmeübertragungsbeziehung steht, wobei insbesondere zumindest ein Teil des ersten Fluides der weiteren Anlage zugeführt wird.
Unter einer Anlage zur Umsetzung von Energie wird dabei insbesondere ein System, eine Anlage und/oder eine Vorrichtung verstanden, welches/welche eingangsseitig zumindest einen Energiestrom, insbesondere einen Strom chemisch und/oder anderweitig gespeicherter Energie, vorzugsweise einen eingehenden Fluidstrom wie z. B. einen Brennstoff- und/oder Oxidationsmit- telstrom, empfängt, die daraus extrahierbare Energie zumindest teilweise wärmebildend, d.h. exotherm umsetzt, und ausgangsseitig einem nachgelagerten Wärmeverbraucher als Wärmequelle dienen kann, insbesondere einem Wärmeverbraucher einen wärmeführenden Fluidstrom bereitstellen kann. Unter einem wärmeführenden Fluidstrom wird insbesondere ein in der Anlage zur Umsetzung von Energie erwärmtes Fluid, insbesondere eine erwärmte Flüssigkeit, und/oder eine Strömung eines Dampfes oder zumindest einer teilweise verdampfenden Flüssigkeit verstanden. Insbesondere weisen der eingangsseitige und ausgangsseitige Strom vorzugsweise unterschiedli- che Temperaturniveaus auf, besonders bevorzugt ist eine Ausgangstemperatur des ausgangsseitigen Fluidstroms größer als eine Eingangstemperatur des eingangsseitigen Stroms. Anlagen dieser Art können beispielsweise Verbrennungsmaschinen, Brenner, insbesondere Heizbrenner oder Gasturbinenanlagen aber auch Wärmepumpen sein.
Im Unterschied zu Anlagen zur Umsetzung von Energie werden unter einem Wärmeübertragungssystem Systeme, Anlagen, Einrichtungen und/oder Vorrichtung verstanden, bei denen von einem ersten einströmenden Fluidstrom Wärme auf einen zweiten einströmenden Fluidstrom übertragen wird, so dass diese beiden Fluidströme ausgangsseitig im Wesentlichen nur einen geänderten thermischen Zustand aufweisen. Bekannte Wärmeübertragungssysteme sind Strömungsapparate wie Wärmetauscher, Kessel (ohne den ggf. vorhandenen Brenner), insbesondere Abhitzekessel, Rekuperatoren, Verdampfer, Kondensatoren und dergleichen.
Unter einem Brennstoffstrom wird insbesondere eine Strömung eines brennbaren Fluides, vorzugsweise einer brennbaren Flüssigkeit oder Gases, und/oder eine Zufuhr eines Festbrennstoffs verstanden. Bevorzugte brennbare Flüssigkeiten können dabei Erdöl, aus Erdöl gewonnene Mineralöl kraft- Stoffe, Alkohole, Biokraftstoffe und/oder andere brennbare Flüssigkeiten sein. Bevorzugte Gase können Erdgas, Biogas, Bioerdgas, Deponie-, Klär- und/oder Grubengas, kohlenwasserstoffhaltige Abgase und/oder ähnliche Gase sein.
Unter einem Oxidationsmittelstrom wird dabei eine Zufuhr eines für eine exotherme chemische Umsetzung des Brennstoffstroms erforderlichen Oxi- dationsmittels verstanden, insbesondere Luft oder andere sauerstoffhaltige Gemische oder Verbindungen, welche sich insbesondere bei den im Wärmeübertragungssystem herrschenden Umgebungsbedingungen, insbesondere Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur, in einer Redox-Reaktion mit dem Brennstoffstrom unter Freisetzung von Wärmenergie umsetzen.
Erfindungsgemäß umfasst, vorzugsweise besteht der ausgangsseitige Flu- idstrom der Anlage zur Umsetzung von Energie aus Abgasen eines Gasturbinenbrenners. In einer bevorzugten Anlage zeichnen sich die Abgase dabei durch eine Rauchgastemperatur von mindestens 200°C, insbesondere 250°C, vorzugsweise mindestens 300°C, besonders bevorzugt mindestens 350°C aus. Besonders bevorzugt liegt die Rauchgastemperatur der Abgase der Anlage zur Umsetzung von Energie zwischen 250°C und 800°C, insbesondere zwischen 270°C und 700°C, idealerweise zwischen 350°C und 650°C. Weiter ist es bevorzugt, wenn ein Massenstrom des Abgases zwischen 0,2 kg/s und 3,0 kg/s, insbesondere zwischen 0,3 kg/s und 2,0 kg/s, bevorzugt zwischen 0,4 kg/s und 1 ,5 kg/s, besonders bevorzugt zwischen 0,45 kg/s und 0,8 kg/s liegt. Erfindungsgemäß werden die Abgase des Gasturbinenbrenners zur Bereitstellung einer mechanischen Energie zumindest teilweise über eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, bevorzugt eine Radialturbine entspannt, welche einen Teil der thermodynamischen Energie der Abgase in eine Rotationsenergie der Turbine umwandelt. Diese Rotationsenergie kann dann ei- nem, zwei oder mehreren mechanischen Kraftverbrauchern zugeführt werden. Als Kraftverbraucher kommen dabei beispielsweise ein Verdichter, ein elektrischer Generator, eine Wärmepumpe, eine Getriebevorrichtung oder andere dem Fachmann bekannte, mechanisch rotierend antreibbare Vorrichtungen in Frage. In einer bevorzugten Ausführung kann dabei der Massenstrom der Abgase des Gasturbinenbrenners nahezu vollständig, idealerweise vollständig über die Turbine geführt und zu deren Antrieb genutzt werden.
Erfindungsgemäß kann weiter zumindest ein Teil der Abgase, vorzugsweise alles Abgas des Gasturbinenbrenners, insbesondere zumindest ein Teil der in der Turbine bereits entspannten Abgase als ein erster Fluidstrom aus einem ersten Fluid der Eingangsseite des Wärmeübertragungssystems und/oder der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie zugeführt oder zugeleitet werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch an- gegebenen Merkmale.
Wenn das erste Fluid zumindest teilweise vor dem Heizbrenner einem Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstrom des Heizbrenners und/oder im Heizbrenner dem dritten Fluid zugemischt werden kann, kann ein Brennstoff- bedarf des Heizbrenners bei einem gegebenen ausgangsseitigen Wärmeenergiestrom, insbesondere einem gegebenen oder erforderlichen ausgangsseitigen, dritten Fluidstrom der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie vorteilhaft reduziert und/oder eine Wärmeenergiemenge des dritten Fluidstroms vorteilhaft erhöht werden.
Eine weitere vorteilhafte, einen Brennstoffbedarf und/oder einen Brennstoffnutzungsgrad günstig beeinflussende Ausführung der Erfindung ergibt sich, wenn das erste Fluid zumindest teilweise einem Vorheiz-Wärmetauscher zugeführt werden kann, welcher für einen Wärmeübertrag auf einen Brenn- stoff- und/oder Oxidationsmittelstrom, insbesondere einem Frischluftstrom, vorgesehen ist. Unter einem Brennstoffnutzungsgrad wird dabei insbesondere ein Verhältnis aus einer vom erfindungsgemäßen Energiewandler-System nutzbar bereitgestellten Gesamtenergie, insbesondere die Summe aus nutzbarer mechanischer, elektrischer und thermischer Energie, bezogen auf die über einen Brennstoff im Wesentlichen chemisch zugeführten Energiemenge verstanden. Mit anderen Worten: Bei identischer Zufuhr von Energie wir mehr nutzbare Energie zur Verfügung gestellt. Unter „günstig beeinflussend" wird dabei hinsichtlich des Brennstoffbedarfs eine Reduktion einer erforderlichen Brennstoffmenge, insbesondere einer Brennstoffmasse und/oder eines Brennstoffvolumens verstanden. Unter „günstig beeinflussend" wird dabei hinsichtlich des Brennstoffnutzungsgrads eine erhöhte Abgabe von thermischer und/oder mechanischer Energie bei konstant gehaltener Brennstoffmenge verstanden. Vorzugsweise ist der Vorheiz-Wärmetauscher dabei zur Vorerwärmung des Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstroms des Gasturbinenbrenners der Anlage zur Umsetzung von Energie und/oder des Heizbrenners in der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie vorgesehen.
Eine den Brennstoffbedarf und/oder den Brennstoffnutzungsgrad besonders günstig beeinflussende Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems kann dadurch erreicht werden, dass zumindest Teile des ersten und/oder dritten Fluides, nachdem es durch einen Wärmeübertrag auf das zweite Fluid im Kessel thermisch abgekühlt wurde, über eine Rückführleitung dem Heizbrenner für eine weitere Umsetzung zugeführt werden kann. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass zumindest Teile des ersten und/oder dritten Fluides, nachdem es durch einen Wärmeübertrag auf das zweite Fluid im Kessel thermisch abgekühlt wurde, einem zweiten Vor- heiz-Wärmetauscher, welcher für einen Wärmeübertrag auf einen Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstrom, insbesondere Frischluftstrom vorgesehen ist, als Wärmequelle zugeführt werden kann.
Eine besonders effektive, effiziente und gleichzeitig auf Grund des verringer- ten anlagenseitigen Mehraufwandes kostengünstige Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das dritte Fluid dem ersten Fluid zugemischt werden kann, nachdem es im Kessel durch den auf das zweite Fluid erfolgten Wär- meübertrag in seinem thermischen Energiegehalt reduziert, insbesondere abgekühlt wurde. Werden das erste und das dritte Fluid gemischt, kann ein über die Rückführleitung rückgeführter und/oder dem/den Vorheiz- Wärmetauschern zugeführter Massenstrom erhöht werden. Dadurch kann eine noch weitergehende Nutzung einer im ersten und dritten Fluidstrom verbliebenen Restenergie zur vorteilhaften Beeinflussung des Brennstoffbedarfs und/oder des Brennstoffnutzungsgrads erreicht werden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die beiden Anlagen zur Umsetzung von Energie miteinander verträgliche ausgangsseitige Fluide, insbesondere Abgase aufwei- sen. Unter „miteinander verträglich" wird dabei insbesondere verstanden, dass die Abgase umweltrechtlich gemischt werden dürfen und/oder keine oder zumindest nicht in kritischen Mengen die Umwelt und/oder die Anlage belastenden oder schädigenden Produkte aus chemischen oder anderweitig die beiden Fluide umsetzenden Reaktionen hervorgehen.
Ist weiter ein Mischer zur Bildung eines einstellbaren Gemisches aus mindestens einem der Fluidströme, insbesondere aus dem ersten und/oder dritten Fluid, und einem Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstrom, insbesondere einem Frischluftstrom vorgesehen, kann zumindest eine Kenngröße eines das erfindungsgemäße Energiewandler-System verlassenden Produktes, insbesondere das zweite Fluid und/oder eine entweichendes Emission, einstell- oder regelbar gesteuert werden. Unter einer Kenngröße kann dabei insbesondere ein Schadstoffgehalt (z. B. ein CO-, CO2-, NOx- und/oder KW- Gehalt), eine Emissionstemperatur, ein Sättigungsgrad oder ähnlich die Pro- dukte, insbesondere das zweite Fluid und/oder die Emissionen charakterisierenden Eigenschaftsgrößen verstanden werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Brenner, insbesondere einen Heizbrenner oder Gasturbinenbrenner, für ein erfindungsgemäßes Energiewandler-System mit einem Brennermodul mit mindestens einer Brennstoffzuführung und mindestens einer Oxidationsmittelzuführung. Der erfindungsgemäße Brenner zeichnet sich dabei durch eine Zumischeinheit für das Zuführen eines vorwiegend gasförmigen Brennhilfsfluids, insbesondere des ersten Fluidstroms bzw. Fluides des erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems aus. Durch die erfindungsgemäße Zumischeinheit kann zumindest ein Teil des Brennhilfsfluids dem im Brennermodul ablaufenden Umsetzungs- bzw. Verbrennungsprozess des dem Brenner zugeführten Brennstoff- und Oxidationsmittelstroms derart beigemischt werden, dass eine Umsetzungsrate des Brennstoff- und Oxidationsmittelstroms, eine Umsetzungsrate im und/oder eine Temperatur des aus der Umsetzung resultierenden Abgases vorteilhaft und erfindungsgemäß beeinflusst werden kann.
Der erfindungsgemäße Brenner erlaubt dies in vorteilhafterweise dadurch, dass die Zumischeinheit baulich in den Brenner integrierbar ist. Die Zumischeinheit kann dabei als separates Modul, beispielsweise als ein Mischteller, oder direkt in einen Brennerdüsen aufweisenden Brennerflansch inte- griert ausgeführt sein. Der Aufbau als separates Modul begünstigt dabei unter anderem die Konstruktion von Zumischeinheit und Brennerflansch/Brennermodul aus individuell ausgewählten Werkstoffen. Der integrierte Aufbau hat den Vorteil, das Handling des Brenners bei Endmontage und/oder die Wartung zu vereinfachen.
Eine bevorzugte Zumischeinheit weist einen Verteilerkanal, vorzugsweise einen Ringkanal, und an den Verteilerkanal angeschlossene Injektionsdüsen für die Freisetzung eines im Verteilerkanal vorhandenen gasförmigen Fluides in eine Injektionsrichtung auf. Weiter weist der Verteilerkanal zumindest ein Anschlussstück für die Verbindung mit einer das gasförmige Fluid bereitstellenden Einheit oder Leitung auf.
Der erfindungsgemäße Brenner kann dabei neben dem Einsatz beispielsweise als Heizbrenner in vorteilhaften Ausführungen erfindungsgemäßer Ener- giewandler-Systeme auch vorteilhaft als Brenner in Kesselanlagen, Gasturbinenanlagen oder anderen, dem Fachmann bekannten brennerbasierten Feuerungen eingesetzt werden, welchen erfindungsgemäß eine zumindest teilweise Abgasrückführung in den Brenner gemein ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen vorteilhaften Kessel für ein erfindungsgemäßes Energiewandler-System. Der Kessel ist dabei insbesondere dazu vorgesehen, ein zweites Fluid durch Wärmezufuhr wenigstens hinsichtlich eines Temperaturzustandes zu verändern, insbesondere einen Temperaturzustand gegenüber einer Ausgangs-oder Umgebungstemperatur zu erhöhen und/oder wenigstens teilweise einem Phasenübergang auszu- setzen, insbesondere das zweite Fluid zumindest teilweise in eine Dampfphase bzw. einen Dampf zu überführen. Ein vorteilhafter Kessel umfasst dabei ein erstes Leitungssystem zur Durchleitung des ersten Fluides, welches vorzugsweise zumindest abschnittsweise als ein sich zumindest innerhalb eines Kesselraums erstreckender erster Wärmetauscher für das Übertragen wenigstens eines Teils der Wärme des ersten Fluides auf das zweite Fluid ausgebildet ist. Das erste Leitungssystem ist dabei zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass das erste Fluid, insbesondere ein Abgas oder Rauchgas, eine Temperatur, insbesondere eine Rauchgastemperatur von mindestens 200°C, insbesondere 250°C, vorzugsweise mindestens 300°C, beson- ders bevorzugt mindestens 350°C aufweisen kann. Besonders bevorzugt liegt die Rauchgastemperatur des ersten Fluides zwischen 250°C und 800°C, insbesondere zwischen 270° und 700°, idealerweise zwischen 350 und 650°C. Weiter ist es bevorzugt, wenn ein Massenstrom des Abgases zwischen 0,2 und 3,0 kg/s, insbesondere zwischen 0,3 und 2,0 kg/s, bevor- zugt zwischen 0,4 und 1 ,5 kg/s, besonders bevorzugt zwischen 0,45 und 0,8 kg/s liegt. Vorzugsweise beträgt ein Druckverlust zwischen einem eingangs- seitigen und einem ausgangsseitigen Anschluss des Leitungssystems, insbesondere einem Fluideingang und einem Fluidausgang des Kessels dabei weniger als 10%, bevorzugt weniger als 4%, besonders bevorzugt weniger als 2%, idealerweise weniger als 0,5% eines eingangsseitigen Druckniveaus. Das erste Leitungssystem kann dabei als ein Zug, insbesondere als ein Kesselzug von dem Fluideingang zu dem im Wesentlichen in einem Kesselge- häuse gegenüberliegenden Fluidausgang ausgebildet sein. Bei einem solchen einzügigen Kessel weist das Leitungssystem eine im Wesentlichen geradlinige Erstreckung durch den Kesselraum auf. Es kann jedoch auch von Vorteil sein, wenn in dem Leitungssystem eine Umlenkung, insbesondere eine Umlenkkammer vorgesehen ist, wobei die Fließrichtung eines im Leitungssystem strömenden Fluides von dem Fluideingang aus betrachtet in der Umlenkung einen Richtungswechsel, insbesondere nahezu vollständige eine Richtungsumkehr erfährt. Fluideingang und Fluidausgang können bei einem solchen zweizügigen Kessel auf einer Seite des Kesselgehäuses angeordnet sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann entlang der Strömungsrichtung im Leitungssystem eine zweite Umlenkung, insbesondere zweite Umlenkkammer vorgesehen sein, in der das im Leitungssystem strömende Fluid eine erneute Umlenkung erfährt. Hierbei spricht man von einem dreizügigen Kessel. Zwei-, drei- oder mehrzügige Kessel haben dabei den Vorteil, dass ein Fluidweg für das wärmeführende, durch das Leitungssystem strömende Fluid innerhalb des Kesselraums verlängert, insbesondere dass eine Wärme des strömenden Fluides bereitstellende Oberfläche vorteilhaft vergrößert wird. In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der erfindungsgemäße Kessel ein zweites Leitungssystem zur Durchleitung des dritten Fluides, welches vorzugsweise zumindest abschnittsweise als ein sich zumindest innerhalb eines Kesselraums erstreckender zweiter Wärmetauscher zum Übertrag wenigstens eines Teils der Wärme des dritten Fluides auf das zweite Fluid aus- gebildet ist. Das zweite Leitungssystem ist dabei zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass das dritte Fluid, insbesondere ein Abgas oder Rauchgas, mit einer Temperatur, insbesondere einer Rauchgastemperatur zwischen 250°C und 1400°C, vorzugsweise zwischen 400°C und 1200°C, besonders bevorzugt zwischen 600°C und 900°C und einem Massenstrom zwischen 0,5 kg/s und 4,0 kg/s, insbesondere zwischen 0,8 kg/s und 3,0 kg/s durch das Leitungssystem geführt werden kann. In besonders bevorzugter Weise ist das zweite Leitungssystem derart ausgebildet, dass der Massenstrom aus erstem und drittem Fluid durch das Leitungssystem geführt werden kann. Vorzugsweise beträgt ein Druckverlust zwischen einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Anschluss des Leitungssystems dabei weniger als 10%, bevorzugt weniger als 4%, besonders bevorzugt weniger als 2%, ideal- erweise weniger als 0,5% eines eingangsseitigen Druckniveaus. Auch das zweite Leitungssystem kann dabei in analoger Weise zum ersten Leitungssystem ein-, zwei-, drei- oder mehrzügig ausgebildet oder ausgeführt sein.
Sind sowohl das erste Leitungssystem als auch das zweite Leitungssystem einzügig ausgeführt, ist der so ausgestattete Kessel selbst zweizügig, wobei die beiden Züge sich dann separat durch den Kesselraum erstrecken. In analoger Weise wird ein Kessel mit einem einzügigen ersten und einem zweizügigen zweiten Leitungssystem als dreizügiger Kessel bezeichnet - und so fort.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Kessels weist eines der Leitungssysteme zwei Eingänge und einen Ausgang auf, wobei vorzugsweise der erste Eingang für das Einkoppeln des ersten Fluides und der zweite Eingang für das Einkoppeln des dritten Fluides vorgesehen sind. Vorzugweise weist dieses Leitungssystem ein eine, zwei oder mehr Umlenkungen, insbesondere Umlenkkammern aufweisendes Rohrsystem auf, wobei der erste Eingang durch ein Rohrstück gebildet ist, welches lei- tungssystemseitig in einer der Umlenkungen mündet. Eine bevorzugte Umlenkkammer weist ein durch eine Wandung begrenztes Umlenkvolumen mit einem Eingang und einem Ausgang auf, in welchem bevorzugt mindestens ein Strömungsleitelement, wie beispielsweise ein Leitblech, eine Spoilerlippe und/oder ein Diffusor, angeordnet ist, welches dazu dient, einen über den Eingang einströmende Fluidstrom effizient in Richtung des Ausgangs umzulenken. Unter„effizient umlenken" wird dabei insbesondere eine Strömungs- umlenkung verstanden, welche die thermodynamischen Eigenschaften - z. B. Temperatur, Wärmegehalt und/oder Druck - des Fluidstroms nahezu konstant erhält oder zumindest nicht Wesentlich ändert. Unter einer„nicht we- sentlichen Änderung" wird dabei insbesondere eine Eigenschaftsänderung des Fluidstroms zwischen Eingang und Ausgang der Umlenkkammer verstanden, die kleiner als 10%, insbesondere kleiner als 5%, bevorzugt kleiner als 1 %, besonders bevorzugt kleiner als 0,5% eines Wertes der jeweiligen Eigenschaft am Eingang der Umlenkkammer ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine vorteilhafte Gasturbinenanlage zur Verstromung zumindest eines Teils der in einem Brennstoff gespeicherten chemischen Energie. Die Gasturbinenanlage umfasst insbeson- dere einen Generator, einen Verdichter und eine den Generator und den Verdichter antreibende Turbine mit einer Abgasausleitung zur Abfuhr eines Abgases aus der Turbine. Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage ist dabei zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Energiewandler-System vorgesehen und stellt in der Abgasausleitung idealerweise ein erstes Fluid, insbesondere ein erstes Abgas, mit einer Rauchgastemperatur in der Abgasausleitung von mindestens 200°C, insbesondere 250°C, vorzugsweise mindestens 300°C, besonders bevorzugt mindestens 350°C aus. Besonders bevorzugt liegt die Rauchgastemperatur des erste Fluides zwischen 250°C und 800°C, insbesondere zwischen 270°C und 700°C, idealerweise zwischen 350°C und 650°C. Weiter ist es bevorzugt, wenn ein Massenstrom des Abgases zwischen 0,2 kg/s und 3,0 kg/s, insbesondere zwischen 0,3 kg/s und 2,0 kg/s, bevorzugt zwischen 0,4 kg/s und 1 ,5 kg/s, besonders bevorzugt zwischen 0,45 kg/s und 0,8 kg/s liegt. Bevorzugt ist die Gasturbinenanlage dabei als eine bereits beschriebene teil- rekuperierte Mikrogasturbine ausgebildet. Dabei ist insbesondere in einem Oxidationsmittelstrom zwischen dem Verdichter und einem Gasturbinenbrenner ein Rekuperator angeordnet, in welchem nur ein Bruchteil RRekup von Wärme vom Abgasstrom auf den Oxidationsmittelstrom übertragen wird, so dass zumindest ein Anteil RNutz von nutzbarer Wärme im Abgasstrom verbleibt. Vorzugsweise sind darüber hinaus am Rekuperator geeignete Begrenzungsmittel vorgesehen oder angeordnet, so dass im Abgasstrom auch nach einem Passieren des Rekuperators ein nennenswerter Anteil RNutz an einer im Wärmeübertragungssystem nutzbaren Abwärme in Form einer Restwärme vorhanden ist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein vorteilhaftes Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer und thermischer Energie mit einem Energiewandler- System umfassend eine Gasturbinenanlage. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine thermische und/oder chemisch gespeicherte Energie eines Abgasstroms der Gasturbinenanlage zumindest teilweise einem Kessel zu- geführt, dem parallel noch Wärme aus einem Heizbrenner zugeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Bereitstellung von sowohl elektrischer als auch thermischer Energie als Nutzenergien hoher Güte, insbesondere mit hoher Energiedichte. Weiter kann damit ein relativer Anteil der Nutzenergien ausgehend von der Primärenergie über einen großen Verhält- nisbereich einstellbar, steuerbar und/oder regelbar bereitgestellt werden. Auch erlaubt das Verfahren die Nutzung verschiedener Primärenergieströme für die Versorgung der Gasturbinenanlage einerseits und des Heizbrenners andererseits, so dass bei wechselndem Angebot der beiden Primärenergieströme dennoch eine nahezu konstante Abgabe der Nutzenergien sicherge- stellt werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgasstrom der Gasturbinenanlage zumindest teilweise einer Heizanlage, insbesondere einem Heizbrenner der Heizanlage zuge- leitet wird. Dadurch kann ein erhöhter Nutzungsgrad des Primärenergiestroms der Gasturbinenanlage herbeigeführt werden.
In einer ergänzenden oder alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Abgasstrom, insbesondere der Gasturbinenanlage und/oder des Heizbrenners in einem Luftvorheizer seine thermische Energie zumindest teilweise auf einen Frischluftstrom über- trägt, wodurch ein erhöhter Nutzungsgrad des Primärenergiestroms und/oder eine erhöhte Ausgangstemperatur im Nutzenergiestrom erzielt werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen in schema- tischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 a ein vereinfachtes Schaltungsschema eines erfindungsgemäßen
Energiewandler-Systems in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 1 b ein Schaltungsschema des Energiewandler-Systems nach Fig. 1 a mit einer ersten Ausführung einer Gasturbinenanlage, insbesondere einer Mikrogasturbine ohne Rekuperator;
Fig. 1 c ein Schaltungsschema des Energiewandler-Systems nach Fig. 1 a mit einer zweiten Ausführung einer Gasturbinenanlage, insbesondere einer Mikrogasturbine mit Rekuperator; Fig. 1 d ein Schaltungsschema des Energiewandler-Systems nach Fig. 1 a mit einer dritten Ausführung einer Gasturbinenanlage, insbesondere einer Mikrogasturbine mit zumindest teilweise überbrücktem Rekuperator; Fig. 1 e ein vereinfachtes Schaltungsschema eines erfindungsgemäßen
Energiewandler-Systems ähnlich Fig. 1 a allerdings mit einem zweizügigen Kessel mit einem Leitungssystem als zweite Ausführungsform; Fig. 1f ein vereinfachtes Schaltungsschema eines erfindungsgemäßen
Energiewandler-Systems ähnlich Fig. 1 a allerdings mit einem dreizügigen Kessel mit einem Leitungssystem; Fig. 2a ein Schaltungsschema eines erweiterten erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems als eine weitere Variante; Fig. 2b ein dem Schaltungsschema der Fig. 2a ähnliches Schaltungsschema eines weiteren erfindungsgemäßen Energiewandler- Systems als eine dritte Ausführungsform;
Fig. 2c ein dem Schaltungsschema der Fig. 2b ähnliches Schaltungs- Schema eines weiteren erfindungsgemäßen Energiewandler-
Systems als eine vierte Ausführungsform;
Fig. 3a ein Schaltungsschema eines weiteren erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems als eine fünfte Ausführungsform;
Fig. 3b ein dem Schaltungsschema der Fig. 3a ähnliches Schaltungsschema eines weiteren erfindungsgemäßen Energiewandler- Systems als eine sechste Ausführungsform; Fig. 3c ein Schaltungsschema einer Weiterbildung eines Energiewandler- Systems nach Fig. 3b;
Fig. 4a ein Schaltungsschema eines weiteren erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems als eine siebte Ausführungsform;
Fig. 4b ein dem Schaltungsschema der Fig. 4a ähnliches Schaltungsschema eines erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems als eine achte Ausführungsform; Fig. 5 ein Schaltungsschema eines erfindungsgemäßen Energiewandler- Systems als eine neunte Ausführungsform; Fig. 6 ein Schaltungsschema eines erfindungsgemäßen Energiewandler- Systems als eine zehnte Ausführungsform;
Fig.7 ein modifiziertes Schaltungsschema eines erfindungsgemäßen
Energiewandler-Systems nach Fig. 6;
Fig. 8a ein weiteres Schaltungsschema eines erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems in einer zwölften Ausführungsform, wobei der erste Fluidstrom in einer Anlage zur Umsetzung von Energie ei- nem Heizbrenner zugeführt wird;
Fig. 8b ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizbrenners für die Verwendung in einer Anlage nach Fig. 8a; und Fig. 9 ein Schaltungsschema einer ersten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems nach Fig. 8a als eine dreizehnte Ausführungsform.
Zunächst werden Beispiele von Energiewandler-Systemen aus zwei gekop- pelten Wärmeübertragungssystemen vorgestellt, bevor auf komplexere Systeme eingegangen wird.
Einfache Enerqiewandler-Svsteme
Eine erste, schaltungstechnisch sehr einfache Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 ist in Fig. 1 a als Schaltschema dargestellt.
Das Energiewandler-System 1 umfasst eine Anlage zur Umsetzung von Energie 2 und ein Wärmeübertragungssystem 4. Die Anlage zur Umsetzung von Energie 2 ist als Gasturbinenanlage 20 ausgeführt und weist einen Flu- idausgang 21 auf, über welchen die Anlage 2 ein Wärmeenergie mitführendes Fluid, insbesondere ein im Wesentlichen gasförmiges Fluid, bevorzugt ein Abgas oder Rauchgas freisetzen oder abgeben kann. In dieser Darstellung nicht gezeigt sind Versorgungsleitungen, insbesondere der/die eine/zwei Eingang/Eingänge für eine Zufuhr zumindest eines Brennstoffs und/oder zumindest eines Oxidationsmittels für die Erzeugung thermischer Energie in der Anlage 2 durch eine exotherme Redox-Reaktion, insbesondere eine Verbrennung des Brennstoffs. Das bei der exothermen Redox-Reaktion entstehende, Wärmeenergie mitführende Fluid wird als erster Fluidstrom 22 - im Weiteren auch synonym als erstes Fluid 22 bezeichnet - über den Fluidausgang 21 abgeführt. Der Fluidausgang 21 ist dabei über eine Leitung 5 mit einem Fluideingang 41 des Wärmeübertragungssystems 4 verbunden.
Das Wärmeübertragungssystem 4 ist erfindungsgemäß als Kessel 40 mit einem Leitungssystem 43 zur Durchleitung eines Fluides, insbesondere des ersten Fluides 22 ausgebildet. Das Leitungssystem 43 ist dabei für das Fluid 22 im Wesentlichen nur in durch die Pfeile angedeutete Strömungsrichtung vom jeweiligen Fluideingang 41 , 42 zu Fluidausgängen 45, 46 durchlässig bzw. wird von dem Fluid 22 im Wesentlichen in Richtung der mit Pfeilen angedeuteten Strömungsrichtung durchströmt. Dabei wird unter einer„im Wesentlichen nur in Strömungsrichtung vorhandenen Durchlässigkeit" insbe- sondere eine für das Fluid 22 in von der Strömungsrichtung abweichenden Richtungen dichte, insbesondere diffusionsdichte Ausführung des Leitungssystems 43, d.h. insbesondere eine jeweils dichte bzw. diffusionsdichte Ausbildung von Wandungen von Rohrleitungen des Leitungssystems 43 sowie ggf. von Verbindungen im Leitungssystem 43 verstanden. Zusätzlich können im Leitungssystem 43 Elemente oder Vorrichtungen vorgesehen sein, die eine bevorzugte Strömungsrichtung begünstigen. So könnten beispielsweise zumindest ein Rückschlagventil und/oder ein oder mehrere Strömungsleitelemente wie z. B. Diffusoren vorgesehen sein. Vorzugsweise ist das Leitungssystem 43, insbesondere als ein sich im Inneren eines Kesselraums 40a erstreckender Teil, zumindest abschnittsweise als ein Wärmetauscher 43a bzw. ein Wärmetauscherelement 43a ausgebildet. Unter einem Wärmetauscherelement 43a wird dabei insbesondere eine spiralförmige, fächerarti- ge, plattenförmige und/oder korrugierte Ausformung eines Abschnitts des Leitungssystems 43 verstanden, welche eine bezogen auf den Rest des Leitungssystems 43 vergrößerte Oberfläche bereitstellt. Die vergrößerte Oberfläche ist dabei dazu vorgesehen, eine mit dem durch das Leitungssystem 43 durchgeleiteten Fluid 22 mitgeführte Wärme für einen Wärmeübertrag auf ein mit dem Wärmetauscherelement 43a in Beziehung stehendes Medium oder Fluid, insbesondere Nutzmedium oder Nutzfluid zu begünstigen.
In einer einfachen, insbesondere als Großraumwasserkessel oder Großraumdampferzeuger ausgebildeten Ausführung eines erfindungsgemäßen Kessels 40 befindet sich im Kesselraum 40a ein Nutzmedium oder Nutzfluid, welches sich dadurch auszeichnet, bei geeigneter Wärmezufuhr bzw. Wärmeübertrag mittels des Wärmetauschers 43a bzw. des Wärmetauscherelements 43a zumindest teilweise einem Phasenübergang von einer ersten Phase in eine zweite Phase unterworfen zu werden. In bevorzugter Weise geht das Nutzmedium oder Nutzfluid dabei durch Sublimation und/oder Verdampfen zumindest teilweise in eine Dampfphase bzw. einen Dampf über. Über einen Kesselausgang 47 am Kessel 40 des erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 wird dieser Dampf als ein zweiter Fluidstrom 48 bzw. als ein zweites Fluid 48 für eine weitere Nutzung bereitgestellt und/oder abgeführt.
Alternativ kann der Kessel 40 auch als ein Warm- oder Heißfluidkessel ausgebildet sein, wobei ein Wärmeübertrag vom ersten Fluid 21 über das Lei- tungssystem 43, 43a so ausgelegt ist, dass das Nutzmedium oder Nutzfluid keinem nennenswerten Phasenübergang ausgesetzt ist, sondern lediglich auf ein eine Ausgangstemperaturniveau übersteigendes Temperaturniveau erwärmt oder erhitzt wird oder werden soll, ohne dass dieses Temperaturniveau eine Phasenübergangstemperatur des Nutzmediums bzw. Nutzfluids übersteigt. Ist der Kessel insbesondere als Druckfluid- oder Druckwasserkessel ausgebildet, kann ein Innendruck im Kesselraum derart erhöht sein oder werden, dass die Phasenübergangstemperatur zu höheren Tempera- turwerten verschoben wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn für eine nachfolgende Anwendung des zweiten Fluids 48 ein Überhitzungszu- stand des zweiten Fluides 48 erwünscht oder erforderlich ist. Das erste Leitungssystem 43, 43a ist dabei zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass das erste Fluid 22, insbesondere ein Abgas oder Rauchgas, mit einer Temperatur, insbesondere einer Rauchgastemperatur zwischen 300°C und 800°C, vorzugsweise zwischen 350°C und 700°C und einem Massenstrom zwischen 0,5 kg/s und 4,0 kg/s, insbesondere zwischen 0,8 kg/s und 3,0 kg/s durch das Leitungssystem 43, 43a geführt werden kann.
Das Leitungssystem 43, 43a ist weiters vorzugsweise so ausgebildet, dass ein Druckverlust des Fluidstroms 22 zwischen einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Anschluss 41 , 45 des Leitungssystems 43, 43a dabei weniger als 10%, bevorzugt weniger als 4%, besonders bevorzugt weniger als 2%, idealerweise weniger als 0,5% eines eingangsseitigen Druckniveaus beträgt. Günstigerweise kann ein erfindungsgemäßer Kessel 40 weiters einen hier nicht dargestellten Kesseleingang zur Zufuhr des Nutzmediums oder Nutzflu- ides, insbesondere des Nutzmediums oder Nutzfluides in einer ersten Phase aufweisen. Die Zufuhr kann dabei in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Intervallen und/oder als im Wesentlichen permanenter Zustrom bzw. perma- nente Zuführung erfolgen.
Bevorzugt ist es auch, wenn der Kesselraum 40a zumindest zwei Volumenzonen aufweist, wobei in einer ersten Volumenzone das Nutzmedium oder Nutzfluid im Wesentlichen in seiner ersten Phase und in einer zweiten Volu- menzone das Nutzmedium oder Nutzfluid im Wesentlichen in seiner zweiten Phase vorliegt. Unter„im Wesentlichen in einer Phase vorliegen" wird dabei insbesondere verstanden, dass der Anteil dieser Phase an der Gesamtmen- ge, insbesondere der Gesamtmasse und/oder dem Gesamtvolumen, des Nutzmediums oder Nutzfluides in dieser Volumenzone des Kesselraums 40a mindestens 50%, bevorzugt mindestens 70% und besonders bevorzugt mindestens 80% beträgt.
Vorteilhafterweise kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass der Fluidein- gang 41 des Leitungssystems 43 bezüglich des Kesselraums 40a in der ersten Volumenzone, d.h. in einem Teilbereich eines Kesselgehäuses, welches die erste Volumenzone begrenzt, angeordnet ist. Günstigerweise kann er- gänzend oder alternativ der Fluidausgang 45 bezüglich des Kesselraums 40a in der ersten oder zweiten Volumenzone, d.h. in einem Teilbereich eines Kesselgehäuses, welches die erste oder zweite Volumenzone begrenzt, angeordnet sein. Ein derartig ausgebildeter Kessel 40 wird auch als Abhitzekessel bezeichnet. Unter einem Abhitzekessel wird dabei insbesondere ein Kessel 40 verstanden, bei dem der Wärmeübertrag auf das Nutzmedium bzw. Nutzfluid, insbesondere zweite Fluid 48, im Wesentlichen durch Wärmekontakt, Konvektion und/oder Diffusion von dem im Leitungssystem 43, 43a strömenden ersten Fluid 22 auf das Nutzmedium bzw. Nutzfluid erfolgt.
Insbesondere bei einer Ausbildung des Wärmeübertragungssystems 4 als Dampfkessel 40 ist der Kesselausgang 47 vorzugsweise bezüglich des Kesselraums 40a in der zweiten Volumenzone, d.h. in einem Teilbereich eines Kesselgehäuses, welches die zweite Volumenzone begrenzt, angeordnet.
Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausbildung des Wärmeübertragungssystems 4 als Warm- oder Heißwasserkessel 40, ist der Kesselausgang vorzugsweise bezüglich des Kesselraums 40a in der ersten Volumenzone, d.h. in einem Teilbereich eines Kesselgehäuses, welches die erste Volumenzone begrenzt, angeordnet. In einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Energiewand- ler-Systems 1 ist das Nutzfluid Wasser. In der ersten Volumenzone liegt das Wasser dabei im Wesentlichen in flüssiger Form vor. Wird nun über zumindest den ersten Fluideingang 41 das erste Fluid 22 der Anlage zur Umset- zung von Energie 2, insbesondere ein Abgas oder Rauchgas einer Gasturbinenanlage 20 als erstes Fluid 22 in das erste Leitungssystem 43 eingeströmt, gibt das erste Fluid 22 über das bzw. die Wärmetauscherelemente 43a Wärme an das umliegende Wasser im Kesselraum 40a ab. Die Fig. 1 b zeigt das Energiewandler-System 1 aus Fig. 1 a mit einer bevorzugten Gasturbinenanlage 20. Identische oder gleichwirkende Elemente erhalten dabei dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 a, bezüglich deren Beschreibung an dieser Stelle auf die Beschreibung der Fig. 1 a verwiesen wird. Die Gasturbinenanlage nach Fig. 1 b umfasst dabei einen Gasturbinenbrenner 201 , einen Verdichter 202, eine Turbine 203 und einen zumindest einen weiteren Kraftverbraucher 204, insbesondere einen elektrischen Generator 204a. Bevorzugt sind der Verdichter 202 und die Turbine 203 auf einer gemeinsamen Welle 205 angeordnet. Eine derartige Gasturbinenanlage 20 wird im Weiteren auch als nicht-rekuperierte Mikrogasturbine 20a bezeichnet.
Dem Verdichter 202 wird über einen Lufteinlass 202a ein Frischluftstrom 202b zugeführt, welcher im Verdichter 202 auf einen Verdichterdruck vorgespannt wird. Ein vorteilhafter Verdichterdruck liegt dabei zwischen 2 und 6 bar, insbesondere zwischen 3 und 5 bar, vorzugsweise zwischen 3,5 und 4,5 bar, besonders bevorzugt bei in etwa 4 bar. Der so vorgespannte Frischluftstrom 202c wird dann dem Gasturbinenbrenner 201 über eine Oxidationsmit- telzuführung 201 a als ein Oxidationsmittelstrom zugeführt. Über eine Brennstoffversorgung 201 b wird dem Gasturbinenbrenner 201 weiter ein Brenn- stoff, vorzugsweise ein flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff zugeführt. Im Gasturbinenbrenner 201 werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel in einer exothermen Redox-Reaktion, üblicherweise durch Verbrennung, in ein Rauch- oder Abgas 201 c umgewandelt. Das so entstehende Rauch- oder Abgas 201 c hat dabei vorzugsweise eine Rauchgastemperatur zwischen 400 und 1000°C, vorzugsweise zwischen 500 und 950°C, besonders bevorzugt von 600 bis 750°C sowie bevorzugt einen gegenüber dem Verdichterdruck weiter erhöhten Rauchgasdruck. Über ein Abgasrohr 201 d gelangt zumindest ein Teil des Rauch- oder Abgases 201 c, vorzugsweise im Wesentlichen das vollständige Rauch- oder Abgas 201 c zu einem Turbineneinlass 203a. In der Turbine 203, welche bevorzugt als Radialturbine ausgebildet ist, wird das Rauch- oder Abgas 201 c derart entspannt, dass die dabei freigesetzte volu- metrische Arbeit die Welle 205 zur Rotation antreibt. Das entspannte Rauchoder Abgas 203c wird dann über einen Turbinenauslass 203b freigesetzt bzw. als erstes Fluid 22 der Anlage zur Umsetzung von Energie 2, 20 im erfindungsgemäßen Energiewandler-System 1 nach Fig. 1 a dem Wärmeübertragungssystem 4, 40 zugeführt.
Eine nicht-rekuperierte Mikrogasturbine 20a hat dabei den Vorteil, dass das entspannte Rauch- oder Abgas 201 c am Turbinenauslass 203b noch eine hohe spezifische thermische Energiedichte, insbesondere eine Rauchgastemperatur zwischen 400°C und 1000°C, vorzugsweise zwischen 500°C und 950°C, besonders bevorzugt von 600°C bis 750°C, idealerweise von ca. 650°C aufweist.
Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 b im weiteren Aufbau und seinen Funktionszusammenhängen dem allgemeineren Beispiel nach Fig. 1 a, so dass für die weitere Beschreibung auf die Detailbeschreibung der Fig. 1 a verwiesen wird, welche bezüglich der dort beschriebenen Merkmale der Erfindung in analoger Weise auch für das Beispiel nach Fig. 1 b gelten können, insbesondere sollen. Die Fig. 1 c zeigt das Energiewandler-System 1 aus Fig. 1 a mit einer alternativen Gasturbinenanlage 20. Identische oder gleichwirkende Elemente erhalten dabei dieselben Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren, be- züglich deren Beschreibung an dieser Stelle auf die Beschreibung der Figuren 1 a bzw. 1 b verwiesen wird.
Die Gasturbinenanlage nach Fig. 1 c umfasst dabei einen Gasturbinenbren- ner 201 , einen Verdichter 202, eine Turbine 203 und zumindest einen weiteren Kraftverbraucher 204, insbesondere einen elektrischen Generator 204a. Bevorzugt sind der Verdichter 202 und die Turbine 203 auf einer gemeinsamen Welle 205 angeordnet. Bei der Gasturbinenanlage 2, 20b nach Fig. 1 c wird der vom Verdichter 202 vorgespannte Frisch luftstrom 202c über einen Rekuperator 206 geführt, bevor er dem Gasturbinenbrenner 201 über eine Oxidationsmittelzuführung 201 a als ein Oxidationsmittelstrom zugeführt wird. Der Rekuperator 206 ist dabei ein Wärmetauscher, der zumindest einen Teil der Wärme des entspannten Rauch- oder Abgases 203c der Turbine 203 auf den vorgespannten Frischluftstrom 202c überträgt. Das entspannte und im Rekuperator 206 teilweise durch Wärmeübertrag auf den Frisch luftstrom 202c abgekühlte Rauch- oder Abgas 206c wird dann freigesetzt bzw. als ein erstes Fluid 22 der Anlage zur Umsetzung von Energie 2, 20 im erfindungsgemäßen Energiewandler-System 1 nach Fig. 1 a dem Wärmeübertragungssystem 4, 40 zugeführt. Eine Gasturbinenanlage 20 nach Fig. 1 c wird dabei im Weiteren auch als rekuperierte Mikrogasturbine 20b bezeichnet.
Die Rauchgastemperatur T des ersten Fluides 22 ist bei einer rekuperierten Mikrogasturbine 20b auf Grund eines Wärmeentzugs im Rekuperator 206 herabgesetzt. Typischerweise erreicht die Rauchgastemperatur dabei Werte zwischen 200°C und 700°C, insbesondere zwischen 250°C und 650°C, bevorzugt zwischen 270°C und 600°C, besonders bevorzugt von 300°C bis 400°C.
Eine rekuperierte Mikrogasturbine 20b hat dabei u. a. den Vorteil, dass ein größerer mechanischer Wirkungsgrad r\meCh erreicht wird als bei einer nicht- rekuperierten Mikrogasturbine 20a. Unter einem mechanischen Wirkungsgrad r|mech wird dabei ein Verhältnis zwischen einer an den Kraftverbraucher 204 abgebbaren mechanischen Energie und einer dem Gasturbinenbrenner 201 zugeführten Primärenergie, insbesondere chemischen Energie eines Gasturbinenbrennstoffs verstanden. Eine rekuperierte Mikrogasturbine 20b in einem erfindungsgemäßen Energiewandler-System 1 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn bei gegebener Dimensionierung des Systems 1 und des Brennstoffs für die Brenner 201 , 30 eine größere Menge mechanischer Energie bereitgestellt werden soll.
Eine erfindungsgemäße Untervariante der rekuperierten Mikrogasturbine 20b in einer Schaltungsanordnung nach Fig. 1 c ist dabei eine fix teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20bb, wobei ein Rekuperator 206 vorgesehen ist, der nur einen begrenzten Teil eines möglichen, insbesondere maximal möglichen Wärmeenergieübertrags auf den Frischluftstrom 202c herbeiführen kann o- der einen gegenüber einem theoretisch möglichen Wirkungsgrad ausle- gungsbedingt begrenzten Wirkungsgrad der Wärmeübertragung aufweist. Ein derartiger Rekuperator 206 kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine für den Wärmeübertrag vorgesehene und/oder ausgelegte Übertragungsoberfläche kleiner ausgebildet ist als es für eine Maximalwirkungsgrad des Wärmeübertrags erforderlich wäre.
Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 c im weiteren Aufbau und seinen Funktionszusammenhängen den im Vorhergehenden beschriebenen Beispielen nach Fig. 1 a und 1 b, so dass für die weitere Beschreibung auf die Detailbeschreibung der Fig. 1 a bzw. 1 b verwiesen wird, welche bezüglich der dort beschriebenen Merkmalen der Erfindung in analoger Weise auch für das Beispiel nach Fig. 1 c gelten können, insbesondere sollen.
Fig. 1d zeigt ein besonders bevorzugtes, erfindungsgemäßes Energiewand- ler-System 1 nach dem Funktionsschema der Fig. 1 a mit einer besonders bevorzugten Ausführung einer Gasturbinenanlage 20. Identische oder gleichwirkende Elemente erhalten dabei dieselben Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren, bezüglich deren Beschreibung an dieser Stelle auf die Beschreibung der vorhergehenden Figuren verwiesen wird.
Die Gasturbinenanlage 20 der Fig. 1 d unterscheidet sich von der rekuperier- ten Mikrogasturbine 20b der Fig. 1 c dadurch, dass zumindest ein, vorzugsweise zwei Bypass-Systeme 207, 208 zur zumindest teilweisen Umgehung des Rekuperators 206 vorgesehen sind.
Ein erstes Bypass-System 207 umfasst dabei ein Bypass-Steuerelement 207a, vorzugsweise ein/e Steuer- und/oder regelbares Ventil oder Klappe, welche/s dazu vorgesehen und/oder ausgebildet ist, zumindest einen, vorzugsweise einen einstell- oder wählbaren Teilstrom 207c des vom Verdichter 202 vorgespannten Frischluftstroms 202c vor dem Rekuperator 206 abzuzweigen und/oder auszuleiten. Weiter umfasst das erste Bypass-System 207 eine erste, in Fig. 1 d strich-punktiert dargestellte Bypass-Leitung 207b, über welche der vom Bypass-Steuerelement 207a abgezweigte und/oder ausgeleitete Teilstrom 207c vorzugsweise um den Rekuperator 206 herumgeführt und insbesondere nach dem Rekuperator 206 dem im Rekuperator 206 vorgewärmten Teil des vorgespannten Frischluftstroms 202c wieder zugeführt werden kann. Über das erste Bypass-System 207 kann so die auf den Frischluftstrom 202c im Rekuperator 206 übertragene Wärmemenge vorteilhaft eingestellt werden. Das erste Bypass-System 207 erlaubt so einen Re- kuperationsgrad einzustellen bzw. einstell-, Steuer- und/oder regelbar zu gestalten.
Ein zweites alternativ oder ergänzendes Bypass-System 208 umfasst ein Bypass-Steuerelement 208a, vorzugsweise ein/e Steuer- und/oder regelbares Ventil oder Klappe, welche/s dazu vorgesehen und/oder ausgebildet ist, zumindest einen, vorzugsweise einen einstell- oder wählbaren Teilstrom 208c des von der Turbine 203 entspannten Rauch- oder Abgases 203c vor dem Rekuperator 206 abzuzweigen und/oder auszuleiten. Weiter umfasst das zweite Bypass-System 208 eine zweite, in Fig. 1 d gestrichelt dargestellte Bypass-Leitung 208b. Die Bypass-Leitung 208b kann dabei den vom By- pass-Steuerelement 208a abgezweigten und/oder ausgeleiteten Teilstrom 208c vorzugsweise um den Rekuperator 206 herumführen und insbesondere nach dem Rekuperator 206 dem im Rekuperator 206 zumindest teilweise abgekühlten Rauch- oder Abgas 206c wieder zugeführt werden. Auf diese Weise kann eine Menge des wärmeführenden Rauch- oder Abgases 203c vorteilhaft eingestellt und/oder geregelt werden, so dass eine im Rekuperator 206 auf den Fristluftstrom 202c übertragbare Wärmemenge eingestellt und/oder geregelt werden kann. Das zweite Bypass-System 208 erlaubt so seinerseits den Rekuperationsgrad einzustellen bzw. einstell-, steuer- und/oder regelbar zu gestalten.
Eine Gasturbinenanlage 20 nach Fig. 1 d, insbesondere mit einem ersten und/oder zweiten Bypass-System 207, 208 wird dabei im Weiteren auch als variabel teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20c bezeichnet. Diese zeichnen sich insbesondere durch einen einstell- und/oder regelbaren Rekuperationsgrad aus, wobei ein Rekuperationsgrad dabei als Verhältnis aus im Rekuperator übertragener Wärmeenergie zur maximal im Rekuperator übertragbaren Wärmeenergie verstanden wird. Über den einstell- und/oder regelbaren Re- kuperationsgrad kann bei einer variabel teil-rekuperierten Mikrogasturbine 20c das Verhältnis zwischen einer Bereitstellung mechanischer, insbesondere elektrischer Energie und thermischer Energie mit einem erfindungsgemäßen Energiewandler-System 1 vorteilhaft eingestellt und/oder geregelt werden. Insbesondere kann lastabhängig ein Nutzungsgrad an Primärenergie in mindestens einer der Anlagen zur Umsetzung von Energie 2, 3 vorteilhaft optimiert werden. Mit einer teil-rekuperierten Mikrogasturbine 20c in einem Energiewandler-System 1 nach Fig. 1 d wird es erstmals möglich, die für den Betrieb des Kessels 40 über das erste Fluid 22 zur Verfügung stellbare thermische Leistung jenseits der ursprünglichen Auslegung des Energiewandler- Systems 1 anzupassen und/oder auf Schwankungen oder Toleranzen bei Montage oder im Betriebsablauf, insbesondere in der Brennstoffversorgung, der Brennstoffqualität, der am Kessel 40 abgerufenen Leistung oder derglei- chen, stabilisierend und/oder optimierend einzugreifen. Insbesondere kann über den Rekuperationsgrad eine vorteilhafte Variation des Betriebspunktes des Energiewandler-Systenns 1 erreicht werden. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 d im weiteren Aufbau und seinen Funktionszu- sammenhängen den im Vorhergehenden beschriebenen Beispielen nach Fig. 1 a bis 1 c, so dass für die weitere Beschreibung auf die Detailbeschreibung der Fig. 1 a, 1 b bzw. 1 c verwiesen wird, welche bezüglich der dort beschriebenen Merkmalen der Erfindung in analoger Weise auch für das Beispiel nach Fig. 1 d gelten können, insbesondere sollen.
In der Darstellung nach den Figuren 1 a bis 1 d ist das Leitungssystem 43, 43a dabei einzügig ausgebildet dargestellt. Es kann jedoch auch von Vorteil sein, dass das Leitungssystem 43, 43a des Kessels 40 zwei-, drei- oder mehrzügig ausgebildet ist. Ein Energiewandler-System 1 mit einem Kessel 40, dessen Leitungssystem zweizügig ausgebildet ist, ist in Fig. 1 e dargestellt. Das Leitungssystem 43, 43a weist dabei eine erste Umlenkung bzw. Umlenkungskammer 43b auf, in welcher eine Strömungsrichtung des ersten Fluides 22 umgelenkt wird. Der Fluideingang 41 und der Fluidausgang 45 können in dieser Ausführung vorteilhaft auf einer Seite eines Kesselgehäu- ses angeordnet sein. Ein Energiewandler-System 1 mit einem Kessel 40, dessen Leitungssystem dreizügig ausgebildet ist, ist in Fig. 1f dargestellt. Hierbei ist im Leitungssystem 43, 43a eine zweite Umlenkung bzw. Umlenkkammer 43c vorgesehen. Die zweite Umlenkkammer 43c ist dabei stromabwärts von der ersten Umlenkkammer 43b im Leitungssystem 43 angeordnet. Hinsichtlich ihrer Funktionsweise unterscheiden sich diese Ausführungen nicht vom ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 a, so dass diesbezüglich auf die vorangehende Beschreibung verwiesen wird.
Komplexere Enerqiewandler-Svsteme
Fig. 2a zeigt eine bevorzugte Weiterbildung des Energiewandler-Systems 1 . Das Energiewandler-System 1 nach Fig. 2a umfasst dabei neben der Anlage zur Umsetzung von Energie 2 und dem Wärmeübertragungssystem 4 zumin- dest eine weitere Anlage zur Umsetzung von Energie 3. Die Anlage 2 sowie die Anlage 3 weisen jeweils mindestens einen Fluidausgang 21 , 31 auf, über welchen die Anlagen 2, 3 jeweils ein Wärmeenergie mitführendes Fluid, insbesondere ein im Wesentlichen gasförmiges Fluid, bevorzugt ein Abgas oder Rauchgas freisetzen oder abgeben können. In dieser Darstellung nicht gezeigt sind der/die jeweils mindestens eine/zwei Eingang/Eingänge für eine Zufuhr zumindest eines Brennstoffs und/oder zumindest eines Oxidationsmit- tels für die Erzeugung thermischer Energie in den Anlagen zur Umsetzung von Energie 2, 3 durch eine exotherme Redox-Reaktion, insbesondere eine Verbrennung des Brennstoffs. Das bei der exothermen Redox-Reaktion entstehende, Wärmeenergie mitführende Fluid wird als ein erster bzw. dritter Fluidstrom 22, 32 - im Weiteren auch synonym als ein erstes Fluid 22 bzw. drittes Fluid 32 bezeichnet - über die Fluidausgänge 21 , 31 abgeführt. Die Fluidausgänge 21 , 31 sind dabei über Leitungen 5, 6 mit jeweils einem Flui- deingang 41 , 42 des Wärmeübertragungssystems 4 verbunden.
Die Anlage 2 ist dabei vorzugsweise als eine Gasturbinenanlage 20, insbesondere als eine teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20c ausgeführt, wobei die teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20c die bereits zu Fig. 1d beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorzüge aufweist. Alternativ könnten jedoch auch eine nicht-rekupertierte Mikrogasturbine 20a oder eine rekuperierte Mikrogasturbine 20b zum Einsatz kommen, wie sie in der Fig. 1 b oder Fig. 1 c gezeigt ist. Das Wärmeübertragungssystem 4 ist dabei bevorzugt analog zu den Fig. 1 a bis 1 d als Kessel 40 ausgeführt.
In den Darstellungen der Figuren 1 a oder 2a, wie in allen weiteren beschriebenen Figuren sind jeweils nur die für die Vermittlung der jeweiligen Erfindungsidee bzw. des jeweiligen Erfindungsdetails notwendigen schalttechnischen Verbindung bzw. Leitungen dargestellt bzw. andeutet. Nicht gezeigt sind in der Regel Versorgungsanschlüsse und -leitungen für die Versorgung der einzelnen Anlagen 2, 3 mit Brennstoffen und/oder Oxidationsmitteln, insbesondere Frischluft bzw. Entsorgungsleitungen wie z. B. Abgasschlote und/oder Abgasnachbehandlungsanlagen, welche jedoch in einer für den Fachmann ersichtlichen Weise ergänzt werden können.
Das Wärmeübertragungssystem 4 ist hierbei als Kessel 40, insbesondere als Abhitzekessel oder Kombikessel mit zumindest einer Abhitzezone, mit mindestens zwei voneinander unabhängigen Leitungssystemen 43, 44 zur Durchleitung jeweils eines Fluides, insbesondere des ersten bzw. dritten Fluides 22, 32 ausgebildet. Die Leitungssysteme 43, 44 sind dabei für das jeweilige Fluid 22, 32 im Wesentlichen nur in durch die Pfeile angedeuteter Strö- mungsrichtung vom jeweiligen Fluideingang 41 , 42 zu Fluidausgängen 45, 46 durchlässig. Dabei wird unter einer„im Wesentlichen nur in Strömungsrichtung vorhandenen Durchlässigkeit" dabei insbesondere eine für das jeweilige Fluid 22, 32 in von der Strömungsrichtung abweichenden Richtungen dichte, insbesondere diffusionsdichte Ausführung der Leitungssysteme 43, 44, d.h. insbesondere eine jeweils dichte bzw. diffusionsdichte Ausbildung von Wandungen von Rohrleitungen der Leitungssysteme 43, 44 sowie ggf. von Verbindungen in den Leitungssystemen 43, 44, verstanden. Zusätzlich können in zumindest einem der Leitungssysteme 43, 44 Elemente oder Vorrichtungen vorgesehen sein, die eine bevorzugte Strömungsrichtung begünstigen. So könnte beispielsweise zumindest ein Rückschlagventil und/oder ein oder mehrere Strömungsleitelemente wie z. B. Diffusoren vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Leitungssysteme 43, 44, insbesondere deren im Inneren eines Kesselraums 40a sich erstreckender Teil, zumindest abschnittsweise als ein Wärmetauscher 43a, 44a bzw. ein Wärmetauscherelement 43a, 44a ausgebildet. Unter einem Wärmetauscherelement 43a, 44a wird dabei insbesondere eine spiralförmige, fächerartige, plattenförmige und/oder korrugierte Ausformung eines Abschnitts des jeweiligen Leitungssystems 43, 44 verstanden, welche eine bezogen auf den Rest des Leitungssystems 43, 44 vergrößerte Oberfläche bereitstellt. Die vergrößerte Oberfläche ist dabei da- zu vorgesehen, eine mit dem durch das Leitungssystem 43, 44 durchgeleiteten Fluid 22, 32 mitgeführte Wärme für einen Wärmeübertrag auf ein mit dem Wärmetauscherelennent 43a, 44a in Beziehung stehendes Medium oder Fluid, insbesondere Nutzmedium oder Nutzfluid zu begünstigen.
In einer einfachen Ausführung eines erfindungsgemäßen Kessels 40 befindet sich im Kesselraum 40a ein Nutzmedium oder Nutzfluid, welches sich dadurch auszeichnet, bei geeigneter Wärmezufuhr bzw. Wärmeübertrag mittels des Wärmetauschers 43a, 44a bzw. des Wärmetauscherelements 43a, 44a zumindest teilweise einem Phasenübergang von einer ersten Phase in eine zweite Phase unterworfen zu werden. In bevorzugter Weise geht das Nutzmedium oder Nutzfluid dabei durch Sublimation und/oder Verdampfen zumindest teilweise in eine Dampfphase bzw. einen Dampf über. Über einen Kesselausgang 47 am Kessel 40 des erfindungsgemäßen Energiewandler- Systems 1 wird dieser Dampf als ein zweiter Fluidstrom 48 bzw. als ein zweites Fluid 48 für eine weitere Nutzung bereitgestellt und/oder abgeführt.
Das erste Leitungssystem 43, 43a ist dabei zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass das erste Fluid 22, insbesondere als ein Abgas oder Rauchgas, mit einer Temperatur, insbesondere einer Rauchgastemperatur zwischen 300°C und 800°C, vorzugsweise zwischen 350°C und 700°C und ei- nem Massenstrom zwischen 0,5 kg/s und 4,0 kg/s, insbesondere zwischen 0,8 kg/s und 3,0 kg/s durch das Leitungssystem 43, 43a geführt werden kann.
Die Leitungssysteme 43, 43a; 44, 44a sind weiter vorzugsweise so ausgebil- det, dass ein Druckverlust des jeweiligen Fluidstroms 22, 32 zwischen einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Anschluss 41 , 45; 42, 46 des jeweiligen Leitungssystems 43, 43a; 44, 44a dabei weniger als 10%, bevorzugt weniger als 4%, besonders bevorzugt weniger als 2%, idealerweise weniger als 0,5% eines eingangsseitigen Druckniveaus beträgt.
Günstigerweise kann ein erfindungsgemäßer Kessel 40 weiter einen hier nicht dargestellten Kesseleingang zur Zufuhr des Nutzmediums oder Nutzflu- ides, insbesondere des Nutzmediums oder Nutzfluides in einer ersten Phase aufweisen. Die Zufuhr kann dabei in regelmäßig und/oder unregelmäßigen Intervallen und/oder als im Wesentlichen permanenter Zustrom bzw. permanenter Zuführung erfolgen.
Bevorzugt ist es auch, wenn der Kesselraum 40a zumindest zwei Volumenzonen aufweist, wobei in einer ersten Volumenzone das Nutzmedium oder Nutzfluid im Wesentlichen in seiner ersten Phase und in einer zweiten Volumenzone das Nutzmedium oder Nutzfluid im Wesentlichen in seiner zweiten Phase vorliegt. Unter„im Wesentlichen in einer Phase vorliegen" wird dabei insbesondere verstanden, dass der Anteil dieser Phase an der Gesamtmenge, insbesondere der Gesamtmasse und/oder dem Gesamtvolumen, des Nutzmediums oder Nutzfluides in dieser Volumenzone des Kesselraums 40a mindestens 50%, bevorzugt mindestens 70% und besonders bevorzugt min- destens 80% beträgt.
Vorteilhafterweise kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass zumindest einer, vorzugsweise beide Fluideingänge 41 , 42 der Leitungssysteme 43, 44 bezüglich des Kesselraums 40a in der ersten Volumenzone, d.h. in einem Teilbereich eines Kesselgehäuses, welches die erste Volumenzone begrenzt, angeordnet sind. Günstigerweise können ergänzend oder alternativ zumindest einer, vorzugsweise beide Fluidausgänge 45, 46 bezüglich des Kesselraums 40a in der zweiten Volumenzone, d.h. in einem Teilbereich eines Kesselgehäuses, welches die zweite Volumenzone begrenzt, angeord- net sein.
Insbesondere bei einer Ausbildung des Wärmeübertragungssystems 4 als Dampfkessel 40, kann der Kesselausgang 47 vorzugsweise bezüglich des Kesselraums 40a in der zweiten Volumenzone, d.h. in einem Teilbereich ei- nes Kesselgehäuses, welches die zweite Volumenzone begrenzt, angeordnet sein. Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausbildung des Wärmeübertragungssystems 4 als Warm- oder Heißwasserkessel 40, ist der Kesselausgang vorzugsweise bezüglich des Kesselraums 40a in der ersten Volumenzone, d.h. in einem Teilbereich eines Kesselgehäuses, welches die erste Volumenzone be- grenzt, angeordnet.
In einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 ist das Nutzfluid Wasser. In der ersten Volumenzone liegt das Wasser dabei im Wesentlichen in flüssiger Form vor. Wird nun über zumin- dest den ersten Fluideingang 41 das erste Fluid 22 der Anlage zur Umsetzung von Energie 2, insbesondere ein Abgas oder Rauchgas einer Gasturbinenanlage 20 als erstes Fluid 22 in das erste Leitungssystem 43 eingeströmt, gibt das erste Fluid 22 über das bzw. die Wärmetauscherelemente 43a Wärme an das umliegende Wasser im Kesselraum 40a ab.
In analoger Weise kann über den zweiten Fluideingang 42 des Kessels 40 das dritte Fluid 32 der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, insbesondere ein Abgas oder Rauchgas des Heizbrenners 30 als drittes Fluid 32 in das zweite Leitungssystem 44 eingeströmt werden, wobei das dritte Fluid 32 alternativ oder ergänzend zum Wärmeübertrag des ersten Fluides 22 seinerseits über das bzw. die Wärmetauscherelemente 44a Wärme an das umliegende Wasser im Kesselraum 40a abgeben kann. Durch den Wärmeübertrag an mindestens einem der Wärmetauscherelemente 43a, 44a wird nun Wasser verdampft, wobei sich der Wasserdampf in der zweiten Volumenzo- ne des Kesselraums 40a sammelt. Von dort kann der Dampf dann über den Kesselausgang 47 als zweites Fluid 48 des Energiewandler-Systems 1 einer Nutzung zugeführt werden. Je nach Nutzung und/oder Gehalt an thermischer Energie des ersten und/oder dritten Fluidstroms 22, 32 kommen anstelle von Wasser auch andere Nutzfluide in Betracht. So können beispielsweise Am- moniak, Thermoöl, geeignete Kohlenwasserstoffe oder aber anderes geeignetes Nutzmedium bzw. Nutzfluid vorgesehen sein, welches in einem Kessel durch Wärmezufuhr bei gegebener Temperatur einen Phasenübergang, insbesondere von einer flüssigen in eine gasförmige Phase vollzieht.
In der Darstellung nach den Figuren 2a bis 2c sind die Leitungssysteme 43, 43a; 44, 44a dabei jeweils einzügig ausgebildet dargestellt. Analog zu den Beispielen aus den Fig. 1 a bis 1f kann es jedoch auch von Vorteil sein, wenn zumindest eines der Leitungssysteme 43, 43a; 44, 44a des Kessels 40 zwei-, drei- oder mehrzügig ausgebildet ist. Auch kann es hinsichtlich der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 vorteilhaftsein, wenn sich ein Brenn- oder Flammrohr der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 zumindest teilweise, insbesondere mindestens 50% einer Längserstreckung des Brenn- oder Flammrohrs, vorzugsweise nahezu das gesamte Brenn- oder Flammrohr in den Kesselraum 40a erstreckt, wobei es an einem der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 entfernten Ende in das zweite Leitungssystem 44, 44a übergeht. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass zusätzlich zum Wärmeübertrag vom dritten Fluid 32 entlang des Leitungssystems 44, 44a ein strahlungsbasierter Wärmeübertrag entlang des Brenn- oder Flammrohres erfolgen kann. Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2b dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von dem Schaltschema nach Fig. 2a dadurch, dass der am Kesselausgang 45 nach Passieren des Wärmeübertragungssystems 4 freigesetzte erste Fluidstrom 22 der Anlage zur Umsetzung von Energie 2 über eine Rückführleitung 50, insbesondere eine Abgas- rückführleitung 50 der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, insbesondere dem Heizbrenner 30 zugeführt wird. Die Anlage zur Umsetzung von Energie 2 ist dabei vorzugsweise als eine Gasturbinenanlage 20, insbesondere als eine teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20c ausgeführt, wobei die teil - rekuperierte Mikrogasturbine 20c die bereits zu Fig. 1 d beschriebenen, erfin- dungsgemäßen Vorzüge aufweist. Alternativ könnten jedoch auch eine nicht- rekupertierte Mikrogasturbine 20a oder rekuperierte Mikrogasturbine 20b zum Einsatz kommen, wie sie aus den Fig. 1 b oder Fig. 1 c bekannt sind. Das Wärmeübertragungssystenn 4 ist dabei bevorzugt analog zur Fig. 2a als Kessel 40 ausgeführt.
Der erste Fluidstrom 22 wird dabei abhängig von einem verbliebenen Heiz- wert und/oder Oxidationsmittelgehalt der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 als Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstrom 30a weitergenutzt werden. In einer bevorzugten Ausführung dient der erste Fluidstrom 22 nach einer Wärmeabgabe im Wärmeübertragungssystem 4, 40 als vorgewärmter Oxidationsmittelstrom in der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30. Das in der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 erzeugte dritte Fluid 32 wird analog zu Fig. 2a dem Wärmeübertragungssystem 4, 40 über einen zweiten Fluideingang 42 zum Wärmeübertrag auf das Nutzfluid und Bereitstellung des zweiten Fluidstroms 48 zugeführt. Im Übrigen entspricht die Ausführung nach Fig. 2b der aus der Fig. 2a bekannten Ausbildungen, so dass für die weitere Beschreibung auf die Detailbeschreibung der Fig. 2a verwiesen wird, welche bezüglich der dort beschriebenen Merkmalen der Erfindung in analoger Weise auch für das Beispiel nach Fig. 2b gelten können, insbesondere sollen. Fig. 2c zeigt eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2a als eine vierte Ausführungsform. Abweichend von der Ausführung nach Fig. 2b ist in der Rückführleitung 50 ein Verzweigungselement 51 , insbesondere ein/e einstell-, Steuer- oder regelbares VerzweigungsventilAklappe 51 vorgesehen. Über das Verzweigungselement 51 kann dabei der rückgeführte erste Fluidstrom 22 in einen ersten und ein zweiten Teilstrom 51 a, 51 b aufgeteilt werden. Bevorzugt kann dabei ein Mengenverhältnis, insbesondere ein Luftbzw. Rauchgasmassenverhältnis zwischen den beiden Teilströmen 51 a, 51 b über das Verzweigungselement 51 eingestellt, gesteuert oder geregelt werden.
Der erste Teilstrom 51 a wird dabei vorzugsweise der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 zugeführt. Dabei kann diese Zuführung in ana- loger Weise zu Fig. 2b erfolgen. Es ist aber - wie in Fig. 2c gezeigt - auch denkbar, dass zusätzlich der Zuführung an die weitere Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 ein Mischer 52 vorgeschaltet ist, wobei der Mischer 52 vorzugsweise eine Mischung eines Oxidationsmittelstroms 52a und des ersten Teilstroms 51 a herbeiführt. Diese Mischung kann dann der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 zugeführt werden.
Der zweite Teilstrom 51 b kann bevorzugt aus dem erfindungsgemäßen Energiewandler-System 1 nach Fig. 2b entlassen, freigesetzt und/oder für eine weitere Nutzung und/oder Nachbehandlung einem nachfolgenden System - beispielsweise eine Abgasaufbereitung - zugeführt werden.
Eine vereinfachte Ausführung eines Energiewandler-Systems 1 nach Fig. 2c kann im Übrigen dadurch erreicht werden, dass anstelle eines einstell-, steu- er- oder regelbarem Verzweigungselement eine einfache Leitungsverzweigung verwendet wird. Eine Einstellung eines Mischungsverhältnisses zwischen dem ersten Teilstrom 51 a des rückgeführten Fluides und dem Oxidati- onsmittelstrom 52a kann dann über einen gesteuerten und/oder geregelten Mischer 52 erreicht werden.
Im Übrigen entspricht die Ausführung nach Fig. 2c den aus dem Vorhergehenden bekannten Ausbildungen, so dass für die weitere Beschreibung auf die dortige Detailbeschreibung verwiesen wird, welche bezüglich der dort beschriebenen Merkmalen der Erfindung in analoger Weise auch für das Beispiel nach Fig. 2a oder 2b gelten können, insbesondere sollen. Insbesondere kann eine erfindungsgemäße Ausführung eines Energiewandler- Systems nach Fig. 2c eine als teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20c ausgebildete Gasturbinenanlage aufweisen, wobei die teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20c die bereits zu Fig. 1 d beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorzü- ge aufweist. Alternativ könnten jedoch auch eine nicht-rekupertierte Mikrogasturbine 20a oder rekuperierte Mikrogasturbine 20b zum Einsatz kommen, wie sie aus der Fig. 1 b oder der Fig. 1 c bekannt sind. Eine Abwandlung der in den vorhergehenden Figuren könnte darin bestehen, dass die beiden die Fluidausgänge 45, 46 des Wärmeübertragungssystenns 4, 40 verlassenden Fluidströme nach dem Verlassen zumindest teilweise zusammengeführt werden, um gemeinsam freigesetzt, einer weiteren Nutzung und/oder Nachbehandlung - beispielsweise einer Abgasaufbereitung - zugeführt zu werden. Dazu kann es vorteilhaft sein, wenn die beiden die Fluidausgänge 45, 46 des Wärmeübertragungssystems 4, 40 verlassenden Fluidströme über einen zusätzlichen, hier nicht bildlich gezeigten Mischer ge- führt werden. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die zusammengeführten Fluidströme zumindest teilweise über eine Rückführleitung 50 analog zu den Ausführungen nach den Fig. 2a und 2b weitergenutzt werden sollen. Eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiewandler- Systems 1 ist in der Fig. 3a als eine Abwandlung der Ausführung nach Fig. 2b gezeigt. Dabei wird der vom ersten Fluidausgang 45 des Wärmeübertragungssystems 4, 40 mit der Rückführungsleitung 50 zurückgeführte erste Fluidstrom als Wärmequelle für einen Wärmetauscher 60 genutzt, welcher einem Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstrom 30a der Versorgung der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, insbesondere des Heizbrenners 30 Wärme zuführt, insbesondere diesen vorheizt. Durch die Vorwär- mung/Vorheizung des Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstroms 30a der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 kann eine Effizienz in der Wärmebereitstellung durch die weitere Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 vorteilhaft angehoben werden. Insbesondere können bei einer gegebenen Brennstoffmenge vorteilhaft höhere Wärmemengen im dritten Fluid 32 erreicht werden. Ansonsten entspricht diese Ausführungsform dem aus Fig. 2b bekannten und dort beschriebenen Beispiel, so dass auf die dortige Be- Schreibung verwiesen wird. Fig. 3b zeigt eine erste Abwandlung des Beispiels nach Fig. 3a als sechstes Ausführungsbeispiel. Hierbei werden die beiden das Wärmeübertragungs- system 4, 40 an den beiden Fluidausgängen 45, 46 verlassenden Fluidströ- me 22, 32 zusammengefasst und über die Rückführleitung 50 dem Wärme- tauscher 60 als Wärmequelle zugeführt. Dadurch kann vorteilhaft ein noch höherer Wärmeübertrag am Wärmetauscher 60 erreicht werden als im Beispiel nach Fig. 3a, da die mit beiden Fluidstromen 22, 32 jeweils mitgeführte Wärmeenergie im Wärmetauscher 60 für einen Wärmeübertrag auf den Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstrom zur Verfügung steht. Eine derarti- ge Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft möglich, wenn die beiden Fluidströme 22, 32 aus emissionsrechtlicher Sicht miteinander vermischt werden dürfen. Ist dies nicht möglich, kann in einer Abwandlung auch vorgesehen sein, einen hier nicht gezeigten Wärmetauscher einzusetzen, wobei die beiden Wärmetauscher dann auf jeweils einen der Ströme von Brennstoff oder Oxidationsmittel wärmeübertragend wirken kann oder aber auf beide.
Enthält zumindest eines der zurückgeführten Fluidströme 22, 32 noch einen nennenswerten Heizwert und/oder soll der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 zumindest ein Teil der zurückgeführten Fluidströme 22, 32 direkt zugeführt werden, wie es im Beispiel nach Fig. 2b vorgesehen ist, kann auch eine auf einer Kombination der Ausführungsbeispiele nach Fig. 2b und Fig. 3b beruhende Ausführung zum Einsatz kommen, wie sie in Fig. 3c dargestellt ist. Hierbei kann der erste Teilstrom 51 a analog zum Beispiel nach Fig. 2b einem Mischer 52 zugeführt werden, während der zweite Teilstrom 51 b als Wärmequelle für den Wärmetauscher 60 zur Vorwärmung des Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstroms 30a dient. Der so vorgewärmte Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstrom 30a wird dann im Mischer 52 mit dem ersten Teilstrom 51 a gemischt und in vorgemischter Form der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 zugeführt.
Eine hier nicht bildlich gezeigte alternative Ausführung zum Beispiel nach Fig. 3c sieht für jeden der beiden an den Fluidausgängen 45, 46 des Wär- meübertragungssystems 4, 40 bereitgestellten Fluidströme 22, 32 eine separate Rückführleitung vor. Eine der beiden Rückführleitungen versorgt dabei den Wärmetauscher 60, während die andere Rückführleitung dem Mischer 52 zugeführt wird. Eine derartige Schaltung ist insbesondere dann gegen- über der Schaltung nach Fig. 3c bevorzugt, wenn die beiden Fluidströme 22, 32 aus emissionsrechtlicher Sicht nicht miteinander vermischt werden dürfen.
Allen vorgenannten und im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen ist dabei gemein, dass die Anlage zur Umsetzung von Energie 2 vor- zugsweise als eine Gasturbinenanlage 20, insbesondere als eine nicht- rekupertierte Mikrogasturbine 20a, als eine rekuperierte Mikrogasturbine 20b oder als eine variabel teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20c ausgeführt ist. Das Wärmeübertragungssystem 4 ist dabei als mindestens zweizügiger Kessel 40 - insbesondere Großkessel, Großraumkessel, Abhitzekessel oder Schnelldampferzeuger - mit mindestens zwei separaten Leitungssystemen 43, 44 für die Durchleitung des ersten bzw. dritten Fluides 22, 32 ausgebildet. Analog zu den Beispielen aus den Fig. 1 a bis 1f kann es jedoch auch von Vorteil sein, wenn zumindest eines der Leitungssysteme 43, 43a; 44, 44a des Kessels 40 zwei-, drei- oder mehrzügig ausgebildet ist. Auch kann es hinsichtlich der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 vorteilhaft sein, wenn sich ein Brenn- oder Flammrohr der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie zumindest teilweise, insbesondere mindestens 50% einer Längserstreckung des Brenn- oder Flammrohrs, vorzugsweise nahezu das gesamte Brenn- oder Flammrohr in den Kesselraum 40a erstreckt, wobei es an einem der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 entfernten Ende in das zweite Leitungssystem 44, 44a übergeht. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass zusätzlich zum Wärmeübertrag vom dritten Fluid 32 entlang des Leitungssystems 44, 44a ein strahlungsbasierter Wärmeübertrag entlang des Brenn- oder Flammrohres erfolgen kann.
Eine alternative Ausführungsform als siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 zeigt die Fig. 4a. Das Energie- wandler-System 1 nach Fig. 4a umfasst dabei ein erstes Wärmeübertra- gungssystem 2, ein zweites Wärmeübertragungssystem 4 sowie ein drittes Wärmeübertragungssystem 3, wobei die Anlage zur Umsetzung von Energie 2 über eine am Fluidausgang 21 angeschlossene Leitung 5 mit der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3 verbunden ist. Die Anlage zur Umsetzung von Energie 2 ist dabei analog zu den Ausführungsbeispielen der vorhergehenden Figuren als Gasturbinenanlage 20, insbesondere als eine teil- rekuperierte Mikrogasturbine 20c ausgeführt, wobei die teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20c die bereits zu Fig. 1 d beschriebenen, erfindungsgemä- ßen Vorzüge aufweist. Alternativ könnten jedoch auch eine nicht- rekupertierte Mikrogasturbine 20a oder rekuperierte Mikrogasturbine 20b zum Einsatz kommen, wie sie aus den Fig. 1 b oder 1 c bekannt sind. Über die Leitung 5 wird ein erster Fluidstrom 22, insbesondere ein Rauch- oder Abgasstrom 22 der Gasturbinenanlage 20, der als Heizbrenner 30 ausgebilde- ten weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3 zugeführt.
Abhängig von einem Gehalt an Restbrennstoff und/oder Oxidationsmittel kann der erste Fluidstrom 22 dabei im Heizbrenner 30 zumindest als Ergänzung zu einem hier nicht gezeigten Versorgungsstrom von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel zugeführt oder zugemischt, vorzugsweise im Wesentlich als Brennstoffstrom oder Oxidationsmittelstrom zur Versorgung des Heizbrenners 30 eingesetzt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführung wird der erste Fluidstrom 21 einem Frischluftstrom des Heizbrenners 30 zugemischt oder parallel zu einem Frischluftstrom in einen Brennraum des Heizbrenners 30 injiziert.
Nach einer weiteren exothermen Umsetzung, insbesondere exothermen Re- dox-reaktion, vorzugsweise Verbrennung von Brennstoff mit dem Oxidationsmittel sowie dem ersten Fluid 21 im Heizbrenner 30 werden die so ent- standenen Rauch- oder Abgase als ein dritter Fluidstrom 32 über einen Fluidausgang 31 des Heizbrenners zur weiteren Verwendung aus dem Heizbrenner herausabgegeben. Inn Beispiel des erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 nach Fig. 4a ist der Fluidausgang 31 der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 über eine Leitung 6 mit einem Fluideingang 41 des Wärmeübertragungs- Systems 4 verbunden.
Abweichend von den Beispielen nach den Fig. 2a bis 3c weist das als Kessel 40 ausgeführte Wärmeübertragungssystem 4 nur ein Leitungssystem 43 auf. Das Leitungssystem 43, insbesondere ein im Inneren eines Kesselraums 40a sich erstreckender Teil, ist dabei zumindest abschnittsweise als ein Wärmetauscher 43a, 44a bzw. als ein Wärmetauscherelement 43a, 44a ausgebildet. Unter einem Wärmetauscherelement 43a wird dabei insbesondere eine spiralförmige, fächerartige, plattenförmige und/oder korrugierte Ausformung eines Abschnitts des Leitungssystems 43 verstanden, welche eine bezogen auf den Rest des Leitungssystems 43 vergrößerte Oberfläche bereitstellt. Die vergrößerte Oberfläche ist dabei dazu vorgesehen, eine mit dem durch das Leitungssystem 43 durchgeleiteten Fluid 32 mitgeführte Wärme für einen Wärmeübertrag auf ein mit dem Wärmetauscherelement 43a in Beziehung stehendes Medium oder Fluid, insbesondere Nutzmedium oder Nutzfluid zu begünstigen.
In einer einfachen Ausführung eines erfindungsgemäßen Kessels 40 nach Fig. 4a befindet sich im Kesselraum 47 ein Nutzmedium oder Nutzfluid, welches sich dadurch auszeichnet, bei geeigneter Wärmezufuhr bzw. Wärme- Übertrag mittels des Wärmetauschers 43a bzw. des Wärmetauscherelements 43a zumindest teilweise einem Phasenübergang von einer ersten Phase in eine zweite Phase unterworfen zu werden. In bevorzugter Weise geht das Nutzmedium oder Nutzfluid dabei durch Sublimation und/oder Verdampfen zumindest teilweise ein eine Dampfphase bzw. einen Dampf über. Über ei- nen Kesselausgang 47 am Kessel 40 des erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 wird dieser Dampf als zweiter Fluidstrom 48 bzw. als zweites Fluid 48 für eine weitere Nutzung bereitgestellt und/oder abgeführt. Das Leitungssystem 43, 43a ist dabei zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass das zweite Fluid 32, insbesondere ein Abgas oder Rauchgas, mit einer Temperatur, insbesondere einer Rauchgastemperatur zwischen 300°C und 1200°C, vorzugsweise zwischen 350°C und 900°C, besonders bevorzugt zwischen 350°C und 750°C, und einem Massenstrom zwischen 0,5 kg/s und 4,0 kg/s, insbesondere zwischen 0,8 kg/s und 3,0 kg/s durch das Leitungssystem 43, 43a geführt werden kann. Das Leitungssystem 43, 43a ist weiter vorzugsweise so ausgebildet, dass ein Druckverlust des jeweiligen Fluidstroms 32 zwischen einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Anschluss 41 , 45 des Leitungssystems 43, 43a dabei weniger als 10%, bevorzugt weniger als 4%, besonders bevorzugt weniger als 2%, idealerweise weniger als 0,5% eines eingangsseitigen Druckni- veaus beträgt.
Günstigerweise kann ein erfindungsgemäßer Kessel 40 weiter einen hier nicht dargestellten Kesseleingang zur Zufuhr des Nutzmediums oder Nutzflu- ides, insbesondere des Nutzmediums oder Nutzfluides in einer ersten Phase aufweisen. Die Zufuhr kann dabei in regelmässig und/oder unregelmäßigen Intervallen und/oder als im Wesentlichen permanenter Zustrom bzw. permanente Zuführung erfolgen.
Bevorzugt ist es auch, wenn der Kesselraum 40a zumindest zwei Volumen- zonen aufweist, wobei in einer ersten Volumenzone das Nutzmedium oder Nutzfluid im Wesentlichen in seiner ersten Phase und in einer zweiten Volumenzone das Nutzmedium oder Nutzfluid im Wesentlichen in seiner zweiten Phase vorliegt. Unter„im Wesentlichen in einer Phase vorliegen" wird dabei insbesondere verstanden, dass der Anteil dieser Phase an der Gesamtmen- ge, insbesondere der Gesamtmasse und/oder dem Gesamtvolumen, des Nutzmediums oder Nutzfluides in dieser Volumenzone des Kesselraums 40a mindestens 50%, bevorzugt mindestens 70% und besonders bevorzugt mindestens 80% beträgt.
Vorteilhafterweise kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass der Fluidein- gang 41 des Leitungssystems 43, 43a bezüglich des Kesselraums 40a in der ersten Volumenzone, d.h. in einem Teilbereich eines Kesselgehäuses, welches die erste Volumenzone begrenzt, angeordnet sind. Günstigerweise können ergänzend oder alternativ der Fluidausgang 45 bezüglich des Kesselraums 40a in der zweiten Volumenzone, d.h. in einem Teilbereich eines Kesselgehäuses, welches die zweite Volumenzone begrenzt, angeordnet sein.
Insbesondere bei einer Ausbildung des Wärmeübertragungssystems 4 als Dampfkessel 40, ist der Kesselausgang 47 vorzugsweise bezüglich des Kes- selraums 40a in der zweiten Volumenzone, d.h. in einem Teilbereich eines Kesselgehäuses, welches die zweite Volumenzone begrenzt, angeordnet.
Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausbildung des Wärmeübertragungssystem 4 als Warm- oder Heißwasserkessel 40, ist der Kesselausgang vorzugsweise bezüglich des Kesselraums 40a in der ersten Volumenzone, d.h. in einem Teilbereich eines Kesselgehäuses, welches die erste Volumenzone begrenzt, angeordnet.
Bei der in Fig. 4a gezeigten Schaltung eines erfindungsgemäßen Energie- wandler-Systems wird die in der Anlage zur Umsetzung von Energie 2, 20 umgesetzte Primärenergie einerseits zur Erzeugung einer mechanischen Energie und andererseits zur Bereitstellung thermischer Energie über das Wärmeübertragungssystem 4, 40 verwendet. Da der die Wärmeenergie mitführende erste Fluidstrom 22 dabei über die weitere Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 in das Wärmeübertragungssystem 4, 40 eingekoppelt wird bzw. dem Wärmeübertragungssystem 4, 40 zugeführt wird, kann über eine zusätzliche Bereitstellung weiterer thermischer Energie der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, 30 die Menge an bereitgestellter Wärmenergie im dritten Fluidstrom 32 erhöht werden. Insbesondere kann bei einem gesteuerten und/oder geregelten Betrieb des Heizbrenners 30 die dem Wärmeübertragungssystem 4, 40 zugeführte Wärmeenergie zwischen einer unte- ren Grenze, welche sich im Wesentlichen aus der Wärmemenge des ersten Fluides 21 ergibt, und einer oberen Grenze, welche sich im Wesentlichen aus der thermischen Energie des ersten Fluides 21 und der thermisch Maximalenergie des Heizbrenners 30 ergibt, moduliert werden. Von besonderem Vorteil ist dabei der besonders einfache Aufbau des Wärmeübertragungssys- tems 3 als ein einzügiger Kessel 40.
Fig. 4b zeigt eine erste Erweiterung des erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 nach Fig. 4a als achtes Ausführungsbeispiel. Dabei wird das im Kessel 40 nach Wärmeabgabe an das Nutzmedium bzw. Nutzfluid im Kessel 40 abgekühlte dritte Fluid 32 über den Fluidausgang 45 einem nachgeschalteten Vorheizer 70 als Wärmequelle zugeführt. Der Vorheizer 70 ist dabei vorzugsweise als ein Wärmetauscher aufgebaut und dazu vorgesehen, zumindest einen Teil der mit dem im Kessel 40 abgekühlten dritten Fluid 32 mitgeführten Restwärme auf einen Fluidstrom, insbesondere einen Brenn- stoff- und/oder Oxidationsmittelstrom 30a zu übertragen. Gemäß Fig. 4b wird der im Vorheizer 70 vorgewärmte Fluidstrom 3b der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, insbesondere dem Heizbrenner 30 zugeführt. Alternativ oder ergänzend kann auch der hier nicht gezeigte Gasturbinenbrenner der Gasturbinenanlage 20, 20a, 20b, 20c mit dem vorgeheiztem Flu- idstrom 3b versorgt werden, wie es mit dem gestrichelten Pfeil dargestellt ist. Vorzugsweise wird ein Frischluftstrom 3a zur Frischluftversorgung des Heizbrenners 30 und/oder des Gasturbinenbrenners auf diese Weise vorgeheizt. Darüber hinaus entspricht dieses Beispiel der Ausführung nach Fig. 4a, auf deren Beschreibung an dieser Stelle verwiesen wird.
In der Darstellung nach den Figuren 4a, 4b ist das Leitungssystem 43, 43a dabei einzügig ausgebildet dargestellt. Es kann jedoch auch von Vorteil sein, das Leitungssystem 43, 43a des Kessels 40 zwei-, drei- oder mehrzügig auszubilden.
Eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ener- giewandler-Systems 1 ist in Fig. 5 als neuntes Ausführungsbeispiel gezeigt. Abweichend zu den Ausführungsformen nach den vorhergehenden Figuren ist das Wärmeübertragungssystem 3 als ein Kessel 40, insbesondere als ein Großraumkessel, als ein Abhitzekessel oder als ein Schnelldampferzeuger ausgebildet, welches zumindest ein dreizügiges Leitungssystem 43 zur Durchleitung eines wärmeführenden Fluidstroms aufweist. Das Leitungssystem 43 verfügt dabei über mindestens zwei Fluideingänge 41 , 42 und einen Fluidausgang 45. Der zumindest der im Inneren eines Kesselraums 40a angeordnete Teil des Leitungssystems 43 kann dabei zumindest abschnittsweise als ein Wärmetauscher 43a bzw. Wärmetauscherelement 43a im Sinne der im Vorhergehenden beschriebenen Beispiele ausgebildet sein. Analog zu den im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungen eines Wärmeübertragungssystems 4 bzw. eines Kessels 40 ist der Kessel 40 nach Fig. 5 dazu vorgesehen bzw. ausgebildet, ein im Kesselraum 40a vorgesehenes Nutzflu- id zu erwärmen, zu erhitzen und/oder zumindest teilweise durch Sublimation und/oder Verdampfung in eine Gasphase zu überführen und die Gasphase oder ein die Gasphase zumindest teilweise umfassendes Fluid als zweites Fluid 48 über den Kesselausgang 47 für eine weitere Verwendung bereitzustellen. Vor diesem Hintergrund können auch die Merkmale hinsichtlich Anordnung der Fluideingänge 41 , 42, des Fluidausgangs 45 und/oder des Kes- selausgangs 47 aus der Beschreibung der vorhergehenden Beispiele übernommen werden.
Das Leitungssystem 43, 43a des Kessels 40 nach Fig. 5 weist mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei oder mehrere im Inneren des Kessel- raums 40a verlaufende Umlenkungen oder Umlenkkammern 43b, 43c auf. Unter einer Umlenkung oder Umlenkkammer 43b, 43c wird dabei insbesondere ein durch eine Wandlung begrenztes Volumen mit einem Ein- und ei- nem Ausgang verstanden, wobei die Fließrichtung eines im Leitungssystem 43, 43a strömenden Fluides vom Fluideingang aus betrachtet in der Umlen- kung einen Richtungswechsel, insbesondere eine nahezu vollständige Richtungsumkehr erfährt. In einer einfachen Ausführung können die Umlenkun- gen 43b, 43c jeweils als ein Leitungs- oder Rohrabschnitt ausgebildet sein, dessen Erstreckungsnchtung in einer Strömungsrichtung zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite des Leitungs- oder Rohrabschnitts zumindest unter einem von Null verschiedenen Winkel zueinander ausgerichtet ist. In einer bevorzugten Ausführung liegt der Winkel dabei zwischen an- nähernd 90° und 180°. Alternativ kann mindestens eine Umlenkung bzw. Umlenkkammer 43b, 43c auch wie in der Fig. 1 e bzw. der Fig. 1f beschrieben ausgeführt sein.
Der Kessel 40 nach Fig. 5 zeichnet sich weiters dadurch aus, dass der erste Fluideingang 41 direkt in das Leitungssystem 43, 43a mündet. Der zweite Fluideingang 42 ist dabei über einen Rohrabschnitt 42a realisiert, welcher eingangsseitig als ein zweiter Fluideingang 42 aus einem Kesselgehäuse des Kessels 40 herausragt und ausgangsseitig in der ersten Umlenkung 43b mündet. Günstigerweise ist der Rohrabschnitt 42a dabei so gestaltet, dass ein über den zweiten Fluideingang 42 einströmendes Fluid sich an der Mündung in das Leitungssystem 43, 43a so in die Strömung des im Leitungssystem 43, 43a bereits strömenden Fluides einmischt, vorzugsweise nahezu störungsfrei, aber zumindest störungsarm einmischt. Dabei wird unter einer Störung insbesondere die Bildung einer zumindest lokal turbulenten Strö- mung im Bereich der Einmündung verstanden und/oder ein zumindest teilweises Einströmen des einmündenden Fluides entgegen der Strömungsrichtung des im Leitungssystem 43 bereits befindlichen, über den ersten Fluideingang 41 eingeströmten Fluides. Zur Begünstigung eines störungsarmen Einströmens des über den zweiten Fluideingang 42 einströmenden Fluides können im Bereich der Mündung auch geeignete Mittel zur Unterdrückung von Turbulenzen - wie z. B. Leitgitter oder Leitelemente - und/oder Mischelemente - wie z. B. ein Mischer - vorgesehen sein. Im erfindungsgemäßen Energiewandler-System nach Fig. 5 ist dabei die Anlage zur Umsetzung von Energie 2, insbesondere die Gasturbinenanlage 20, über eine am Fluidausgang 21 angeschlossene Leitung 5 mit dem zweiten Fluideingang 42 des Kessels 40 verbunden. Die Gasturbinenanlage 20 ist dabei vorzugsweise als eine teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20c ausgeführt, wobei die teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20c die bereits zu Fig. 1 d beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorzüge aufweist. Alternativ könnten jedoch auch eine nicht-rekupertierte Mikrogasturbine 20a oder eine rekupe- rierte Mikrogasturbine 20b zum Einsatz kommen, wie sie aus den Fig. 1 b oder 1 c bekannt sind.
Die weitere Anlage zur Umsetzung von Energie 3, insbesondere der Heizbrenner 30 ist über eine an seinem Fluidausgang 31 angeschlossene Leitung 6 mit dem ersten Fluideingang 41 des Kessels 40 verbunden.
In einem ersten, sich zwischen dem ersten Fluideingang 41 und der ersten Umlenkung 43b erstreckenden Abschnitt des Leitungssystems 43, 43a erfolgt so ein Wärmeübertrag im Wesentlichen vom dritten Fluidstrom 32 auf das Nutzmedium bzw. Nutzfluid im Kesselraum 40a. Nach der Einmündung des ersten Fluidstroms 22 in der ersten Umlenkung 43b kann ein Wärmeübertrag von dem nunmehr gemischten ersten und dritten Fluid 22, 32 auf das Nutzmedium bzw. Nutzfluid erfolgen. Insbesondere wird dabei auch das dritte Fluid 32, welches bereits im ersten Abschnitt Wärmeenergie an das Nutzmedium bzw. Nutzfluid abgegeben hat, durch den Kontakt mit dem noch nicht abkühlten ersten Fluid 31 nachgeheizt, wodurch ein Wärmeübertrag homogenisierter ablaufen kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn zwischen dem ersten und dritten Fluid große Unterschiede hinsichtlich Temperatur und/oder Wärmekapazität und/oder Wärmemenge herrschen.
Fig. 6 zeigt eine alternative Ausbildung des Beispiels nach Fig. 5 als ein zehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energiewandler- Systems 1 . Abweichend in dem vorhergehenden Beispiel mündet das den zweiten Fluideingang 42 in das Leitungssystem 43, 43a des Kessels 40 nach Fig. 6 bildenden Rohrabschnitts 42a erst an der zweiten Umlenkung 43c in das Leitungssystem 43, 43a. Dadurch kann einerseits eine kompaktere Aus- führung des Energiewandler-Systems 1 realisiert werden, weil beide mit Primärenergie zu versorgenden Wärmeübertragungssysteme 2 und 3 auf einer Seite des Wärmeübertragungssystems 4, 40 angeordnet werden können und dabei die Leitungen 5 und 6 möglichst kurz gehalten werden können. Kurze Leitungen 5, 6 haben dabei auch den Vorteil, etwaig auftretende Leitungsver- luste, insbesondere Wärme- und/oder Druckverluste kostengünstig zu reduzieren. Ansonsten entspricht die Ausführung nach Fig. 6 derjenigen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5. Eine erste vorteilhafte Weiterbildung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6 ist in Fig. 7 dargestellt. Dabei ist in der von der Anlage zur Umsetzung von Energie 2, 20 zum Wärmeübertragungssystem 4, 40 gehenden Leitung 5 ein Verzweigungselement 80, insbesondere ein/e Steuer- und/oder regelbare Steuerventil/klappe vorgesehen. Über das Verzweigungselement 80 kann dabei ein erster Teil des ersten Fluides 21 der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3, insbesondere dem Heizbrenner 30 zugeführt werden, wie dies bereits auch aus einigen vorhergehenden Ausführungsbeispielen (siehe insb. Fig. 2a-b, 3a-c) in ähnlicher Weise bekannt ist. Ein zweiter Teil des ersten Fluides 21 wird wie in Fig. 6 dem zweiten Eingang 42 des Wärmeübertragungssystem 4, 40 zugeführt. Weitere alternative oder ergänzende Ausführung auf Grundlage der in den Fig. 5, 6 und 7 gezeigten Anordnung ergeben sich unter anderem durch Kombination mit den Ausführungen der Fig. 2a bis 4b, wobei insbesondere eine oder mehrere am Fluidausgang 45 angreifende Rückführleitungen 50 und/oder Mischer 52 und/oder Wärmetauscher 60 und/oder Vorheizer 70 eine vorteilhafte Ausbildung eines erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 mit einem Wärmeübertragungssystem 4, 40 nach Fig. 5 oder 6 ergeben können. Ein Schaltschema einer besonders bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 ist als zwölftes Ausführungsbeispiel in der Fig. 8a dargestellt. Das Energiewandler-System 1 nach Fig. 8a umfasst eine Gasturbinenanlage 20, welche vorzugsweise als eine teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20c ausgeführt ist, als ein erstes Wärmeübertragungssys- tem 2. Das Energiewandler-System 1 enthält eine damit besonders eng miteinander verkoppelte Ausführung eines Heizbrenners 300 und eines Kessels 40, wobei der Heizbrenner 300 die weitere Anlage zur Umsetzung von Energie 3 und der Kessel 40 das Wärmeübertragungssystem 4 bilden. Die teil- rekuperierte Mikrogasturbine 20c weist dabei die bereits zu Fig. 1 d beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorzüge auf. Alternativ könnten jedoch auch eine nicht-rekupertierte Mikrogasturbine 20a oder eine rekuperierte Mikrogas- turbine 20b zum Einsatz kommen, wie sie aus der Fig. 1 b oder der Fig. 1 c bekannt sind. Unter einer engen Verkopplung der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie 3 und des Wärmeübertragungssystems 4 wird dabei insbesondere eine Ausführung verstanden, wobei sich ein Flamm- oder Brennrohr 301 zumindest teilweise, insbesondere mindestens zur Hälfte, vorzugsweise nahezu vollständig bis in den Kesselraum 40a erstreckt. Unter einem Flamm- oder Brennrohr 301 wird dabei insbesondere eine hohle Volumenstruktur mit einem vorzugsweise zylindrischen und/oder polygonalen Querschnitt verstanden, in deren Innenraum eine exothermer Redox- Reaktion, insbesondere eine Verbrennung zumindest eines Brennstoffs mit zumindest einem Oxidationsmittel abläuft. Besonders bevorzugt überdeckt oder umfasst das Flamm- oder Brennrohr 301 dabei zumindest eine bei der Verbrennung sich bildende Flamme und/oder Flammfront. Die enge Verkopplung hat dabei insbesondere den Vorteil, dass ein Wärmeübertrag auf das Nutzmedium bzw. Nutzfluid im Wärmeübertragungssystem 4, 40 auch mittels vorteilhaftem Strahlungstransport erfolgen kann. Die Volumenstruktur weist dabei bevorzugt eine Haupterstreckungsrichtung auf, die vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu einer Flammrichtung der Flamme und/oder Flammfront verläuft. An einer ersten Stirnseite 301 a des Flamm- oder Brennrohrs 301 ist ein Brenner 310 angeordnet. Vorzugsweise schließt der Brenner 310 dabei das Flamm- oder Brennrohr 310 zu dieser Seite hin im Wesentlichen ab. Die Fig. 8b zeigt eine schematische Seitenschnittdarstellung eines Heizbrenners 300, insbesondere eines Brenners 310 und einen sich an den Brenner 310 anschließenden Abschnitt des Flamm- oder Brennrohrs 301 . Ein der ersten Stirnseite 301 a abgewandtes Ende des Flamm- oder Brennrohrs 301 mündet innerhalb des Kesselraums 40a in ein Leitungssystem 43, welches vorzugsweise zumindest abschnittsweise als ein Wärmetauscher 43a oder Wärmetauscherelement 43a ausgebildet ist. Bevorzugt ist ein Übergang zwischen dem Flamm- oder Brennrohr 301 und dem Leitungssys- tem 43 dabei so gestaltet, dass das bei der Umsetzung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels im Flamm- oder Brennrohr 301 entstehende Rauchoder Abgas nahezu vollständig, vorzugsweise vollständig in das Leitungssystem 43 gelangen kann. Das Leitungssystem 43, 43a ist dabei analog zu den im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgeführt, so dass hinsichtlich der Merkmale des Leitungssystems 43, 43a auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 nach Fig. 8a ist nun vorgesehen, dass das über den Fluidausgang 21 freigesetzte erste wärmemitführende Fluid 22, insbesondere Rauch- oder Abgas 22, der Anlage zur Umsetzung von Energie 2, 20, 20a, 20b, 20c über eine Leitung 5 dem Heizbrenner 300 so zugeführt wird, dass es in das Brenn- oder Flammrohr 301 injiziert oder eingedüst werden kann. Das erste wärmemitführende Fluid 22 trägt nun neben der exothermen Umsetzung, insbesondere der Verbren- nung durch den Brenner 310 zu einer Aufheizung bzw. Anreicherung mit Wärmeenergie des im Flamm- oder Brennrohr 301 entstehenden oder sich bildenden dritten Fluides 32 bei. Das dritte Fluid 32 umfasst dabei die sich bei der exothermen Umsetzung durch den Brenner 310 entstehenden Rauch- oder Abgase, das erste Fluid 22 und/oder sich bei der weiteren Um- Setzung des ersten Fluides 22 im Flamm- oder Brennrohr 301 bildenden, insbesondere gasförmigen Umsetzungsprodukte. Insbesondere besteht das dritte Fluid 32 aus einem Gemisch der vorgenannten Fluide. Ein im Kesselraum 40a vorhandenes Nutzmedium oder Nutzfluid kann dabei auf zweierlei Weisen einen Wärmeübertrag, insbesondere Wärmeeintrag erfahren. Einerseits kann über eine äußere Mantelfläche 301 b des sich in den Kesselraum 40a erstreckenden Teils des Flamm- oder Brennrohrs 301 bereits ein Wärmeaustausch zwischen dem im Flamm- oder Brennrohr 301 vorhandenen Fluid und dem Nutzmedium oder Nutzfluid erfolgen. Dazu kann die äußere Mantelfläche 301 b mit einer einen Wärmeübergang begünstigenden Oberfläche, insbesondere Oberflächenstruktur und/oder mit Wärmetau- scherelementen versehen sein. So könnte die äußere Mantelfläche 301 b beispielsweise zumindest partiell eine korrugierte Oberfläche und/oder offen- porige, z. B. wabenartige Wandelemente aufweisen. Auch kann vorteilhafterweise eine Ausgleichsstruktur in der Mantelfläche 301 b vorgesehen sein, welche ausgleichend auf eine thermisch bedingte Längenänderung der Längserstreckung des Flamm- oder Brennrohrs 301 wirkt. Dabei wird unter offenporig insbesondere verstanden, dass die Poren bzw. Poren aufweisenden Oberflächen- bzw. Strukturelemente für das Nutzmedium oder Nutzfluid durchlässig, jedoch für das Fluid im Inneren Flamm- oder Brennrohrs 301 vorhandene Fluid undurchlässig sind. Andererseits erfolgt zumindest ein wei- terer Wärmeübertrag vom dritten Fluid 32 auf das Nutzmedium oder Nutzfluid über das am Flamm- oder Brennrohr 301 anschließende Leitungssystem 43, 43a, wie es bereits aus den vorgehenden Ausführungsbeispielen bekannt ist. Alternativ oder ergänzend kann vorteilhafterweise eine Ausgleichsstruktur in der Mantelfläche 301 b vorgesehen sein, welche ausgleichend auf eine ther- misch bedingte Längenänderung der Längserstreckung des Flamm- oder Brennrohrs 301 wirkt.
Im Weiteren unterscheidet sich das Wärmeübertragungssystem 4, 40 nicht von den Ausführungen in den davor beschriebenen Ausführungsbeispielen, insbesondere nach den Figuren 4a und 4b. Auch die dort beschriebenen Erweiterungen und/oder Abwandlungen können in ganz analoger Weise auf das Wärmeübertragungssystem 4, 40 der Ausführung nach Fig. 8a übertra- gen werden, so dass bezüglich derartiger Merkmale auf die Beschreibung der vorhergehenden Ausführungsbeispiele verwiesen wird.
Fig. 8b zeigt darüber hinaus eine besonders bevorzugte Ausführung eines Brenners 310 für den Einsatz in einem erfindungsgemäßen Energiewandler- System 1 nach Fig. 8a oder der nachfolgenden Fig. 9. Darüber hinaus kann ein derartiger Brenner 310 auch beispielsweise in Energiewandler-Systemen 1 nach den Fig. 4a, 4b sowie in anderen Heizbrenner-Kessel-Kombinationen eingesetzt werden.
Der Brenner 310 umfasst ein eine Flanscheinheit 320 und Brennermodul 330 mit mindestens einer hier nicht dargestellten Brennstoffzuführung und einer Oxidationsmittelzuführung. Die Flanscheinheit 320 ist dabei dazu vorgesehen, den Brenner 310 an einem Heizbrennergehäuse 300a, einem Kessel- gehäuse oder einer anderen Gehäuseeinheit festzulegen, insbesondere lös- oder wechselbar festzulegen. Das Brennermodul 330 ist dazu vorgesehen, ein dem Brennermodul 310 über die Brennstoffzuführung, insbesondere einer Brennstoffleitung zugeführten Brennstoff mit einem über die Oxidationsmittelzuführung zugeführten Oxidationsmittel in einer exothermen Redox- Reaktion, insbesondere einer Verbrennung derart umzusetzen, dass ein wärmemitführendes Fluid, insbesondere Rauch- oder Abgas entsteht. Dem Fachmann ist dabei eine Vielzahl unterschiedlicher Brennermodule 330 bekannt, wobei deren konkrete Ausgestaltung keinen direkten Einfluss auf die Erfindungsidee hat.
Der erfindungsgemäße Brenner 310 weist zusätzlich eine Zumischeinheit 340 für das Zuführen eines vorwiegend gasförmigen Fluides, insbesondere des ersten Fluides 21 auf. Das über eine Zumischeinheit 340 zugeführte gasförmige Fluid bleibt dabei solange von dem mindestens einen Brennstoff und dem mindestens einen Oxidationsmittel getrennt, bis deren exotherme Umsetzung in einem sich an das Brennermodul 330 anschließenden Flammbereich 331 zumindest begonnen hat. In der besonders bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Brenners 310 nach Fig. 8b ist die Zumischeinheit 340 dabei als ein Mischteller 341 ausgebildet. Der Mischteller 341 weist dabei eine zentrale Bohrung 342 auf, in welcher das Brennmodul 330 aufgenommen und vorzugsweise festgelegt ist. Über die Bohrung 342 wird dabei insbesondere eine Brennerdüse 332 in Richtung des Flammbereichs 331 durch die Zumischeinheit 340 geführt. Insbesondere wenn das Brennermodul 330 mehr als eine Brennerdüse 332 aufweist, kann der Mischteller 341 auch für jede der Brennerdüsen 332 eine geeignete Bohrung zur Aufnahme und Durchführung der Brennerdüsen 331 aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass der Mischteller 341 mehr als ein Brennermodul 330 aufnimmt und deren Brenndüsen 332 in Richtung des Flammbereichs 331 durchführt. Weiter ist in der dem Flammbereich 331 zugewandten Stirnseite des Mischtellers 341 zumindest eine Injektionsdüse 343 vorgesehen, vorzugsweise gibt es dort zwei, drei oder mehrere Injektionsdüsen 343. Eine Injektionsdüse 343 ist dabei dazu ausgebildet, das der Zumischeinheit 340 zugeführte gasförmige Fluid, insbesondere das erste Fluid 22 der Anlage zur Umsetzung von Energie 2 in den Flammbereich 331 injizierbar oder eindüsbar bereitzustellen. Unter injizierbar oder eindüsbar wird dabei insbesondere verstanden, ein gasförmiges Fluid über eine Düse oder ein Einlassventil in einen Volumenbereich strömen zu lassen, insbesondere unter einem gegenüber einem Druck im Volumenbereich erhöhten Druck in den Volumenbereich zu entlassen. Eine geeignete Injektionsdüse 343 kann dabei insbesondere zumindest einen Einlassspalt und/oder eine Einlassöffnung aufweisen. Weiters kann die Injektionsdüse 343 eine Ventil- und/oder Klappenvorrichtung zur Änderung eines Durchflusses aufweisen. In einer bevorzugten Ausführung sind die Injektionsdüsen 343 dabei gleichmäßig um die Brennerdüse 332 verteilt, insbesondere konzentrisch um die Brennerdüse 332 und/oder unter gleichmäßigen Winkelabständen über den sich um die Brennerdüse 332 erstreckenden Umfang der dem Flammbereich 331 zugewandten Stirnseite des Mischtellers 341 angeordnet. Ist mehr als eine Brennerdüse 332 vorgesehen, kann eine analoge Anordnung der Injektionsdüsen 343 um jeweils eine der Brennerdüsen 332 von Vorteil sein.
Weiter ist es bevorzugt, wenn die Injektionsdüse 343 Steuer- und/oder regelbar ausgebildet ist. Dabei wird unter einer Steuer- und/oder regelbaren Düse insbesondere eine Düse verstanden, welche durch eine Steuer-, Regel- oder Kontrolleinheit in einem Durchfluss- oder Injektionsverhalten beeinflusst wer- den kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Durchfluss- oder Injektionsmenge oder -rate zwischen mindestens zwei Zuständen - z. B. offen/geschlossen; offen/partiell offen; offen/partiell offen/geschlossen - geschaltet werden kann. Auch kann vorgesehen sein, dass eine Durchflussoder Injektionsmenge oder -rate zumindest quasi kontinuierlich zwischen 0 und 100% des maximal möglichen Durchflusses gewählt werden kann.
Das erste Fluid 22 wird im Beispiel nach Fig. 8a, 8b der Zumischeinheit 340 über die Leitung 5 von der Anlage zur Umsetzung von Energie 2, 20, 20a, 20b, 20c aus zugeführt. Um einen Verschaltungsaufwand möglichst zu mini- mieren, ist dabei in der gezeigten, bevorzugten Ausführung nach Fig. 8b vorgesehen, dass im Mischteller 341 zumindest ein Verteilerkanal 344 vorgesehen ist. Der Verteilerkanal 344 weist dabei mindestens einen Versorgungseingang 345 auf, über den das gasförmige Fluid der Zumischeinheit 340 zugeführt und an dem insbesondere die Leitung 5 angeschlossen werden kann. Der Versorgungseingang 345 ist dabei bevorzugt auf einer dem Flammbereich 331 abgewandten Seite des Mischtellers 341 angeordnet.
Die Injektionsdüsen 343 sind ihrerseits an dem Verteilerkanal 344 angeschlossen, so dass über den Verteilerkanal 344 alle Injektionsdüsen 343 mit dem ersten Fluid 22 versorgt werden können. Der Verteilerkanal 344 ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass das erste Fluid 22 an jeder Injektionsdüse 343 mit nahezu gleichen Fluideigenschaften, insbesondere Temperatur und Druck und/oder chemischer Zusammensetzung anliegt. Vorzugsweise ist der Verteilerkanal 344 dazu als Ringkanal ausgebildet. Ein Querschnitt des Ringkanals kann dabei insbesondere zum Ausgleich der lokalen Fluideigen- schaften über eine Umfangsrichtung im Ringkanal einen Profilverlauf aufwei- sen.
Mit Hilfe eines Heizbrenners 300 nach Fig. 8b lässt sich ein erfindungsgemäßes Energiewandler-System nach Fig. 8a besonders vorteilhaft und kompakt verwirklichen.
Eine erste Erweiterung eines erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 nach Fig. 8a mit einem Brenner 300 nach Fig. 8b ist in Fig. 9 gezeigt. Dabei unterscheidet sich die Ausführung nach Fig. 9 von dem Energiewandler- System nach Fig. 8a dadurch, dass das am Fluidausgang 45 freigesetzte dritte Fluid 32 zumindest teilweise über eine Rückführleitung 50 dem Heizbrenner 300 wieder zugeführt wird. Dabei ist vorgesehen den rückgeführten Teil des dritten Fluides 32 über einen Mischer 52 einem Brennstoff- oder Oxidationsmittelstrom 52a, insbesondere einem Frischluftstrom 52a zuzumi- schen. Dieses Gemisch wird dann dem Heizbrenner 300, insbesondere dem Brennermodul 330 zugeführt.
Das Leitungssystem 43, 43a der Beispiele nach den Fig. 8 und 9 sind jeweils einzügig dargestellt. Es kann jedoch auch Vorteile bringen, wenn das Leitungssystem 43, 43a zwei-, drei- oder mehrzügig ausgebildet ist, wie die be- reits in Beschreibungen zu den Fig. 1 a-f und 4a-b beschrieben wurde.
Weitere Abwandlungen und Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 können sich unter anderem durch Kombination verschiedener Weiterbildungsmerkmale der im Vorhergehenden beschriebe- nen Ausführungsformen ergeben. Neben den in den Beispielen gezeigten ein- oder zweizügigen Kesseln als zweitem Wärmeübertragungssystem 4, 40 können darüber hinaus auch drei- oder mehrzügige Kessel zum Einsatz kommen. Auch können sich durch die Ergänzung eines erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 mit zumindest einer zusätzlichen Anlage zur Umsetzung von Energie 2, 3 vorteilhafte Weiterbildungen ergeben.
Auch kann es von Vorteil sein, wenn der Gasturbinenbrenner 201 und/oder der Heizbrenner 30, 300 als bi- oder tri-valente Brenner für zwei oder drei Brennstoffe oder gar als Vielstoffbrenner ausgebildet ist/sind.
Weitere Abwandlungs- und/oder Erweiterungsmöglichkeiten ergeben sich dem Fachmann durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Energiewandler- Systems 1 , insbesondere nach einem der vorhergehend beschriebenen Beispiele, in einer Anwendungssituation.
Zusammenfassend sind insbesondere folgende bevorzugte Merkmale der Erfindung festzuhalten: Ein Energiewander-Systems 1 umfasst ein erstes Wärmeübertragungssystem 2, insbesondere eine Gasturbinenanlage 20, 20a, 20b, 20c, und ein zweites Wärmeübertragungssystem 4 in Form eines Kessels 40. Die Anlage zur Umsetzung von Energie 2, 20, 20a, 20b, 20c steht dabei mit dem Wärmeübertragungssystem 4, 40 über einen Fluidstrom 22 in einer Wärmeübertragungsbeziehung, wobei insbesondere über ein ers- tes Fluid 22 Wärme von der Anlage zur Umsetzung von Energie 2, 20, 20a, 20b, 20c an das Wärmeübertragungssystem 4, 40 übertragen werden kann. Es wird vorgeschlagen, dass die Anlage zur Umsetzung von Energie 2, 20, 20a, 20b, 20c einen Gasturbinenbrenner 201 aufweist, dessen Abgase 201 c zur Bereitstellung und Übertragung von mechanischer Energie an einen Kraftverbraucher 202, 204, insbesondere einen elektrischen Generator 204, wenigstens teilweise einer Turbine 203 zugeführt werden und dessen Abgase 201 c, 203c wenigstens teilweise den einen Fluidstrom 22, insbesondere das erste Fluid 22 bilden. Insbesondere wird vorgeschlagen, die Gasturbinenanlage 20 des erfindungsgemäßen Energiewandler-Systems 1 als eine teil-rekuperierte Mikrogasturbine 20c auszuführen.
Bezugszeichenliste
1 Energiewandler-System
2, 3 Anlage zur Umsetzung von Engergie
4 Wärmeübertragungssystem
5, 6 Leitung
20 Gasturbinenanlage
20a nicht-rekuperierte Mikrogasturbine
20b rekuperierte Mikrogasturbine
20bb fix teil-rekuperierte Mikrogasturbine
20c teil-rekuperierte Mikrogasturbine
21 Fluidausgang
22 Fluid, Fluidstrom
30 Brenner (Heizbrenner)
30a Oxidationsmittelstrom
31 Fluidausgang
32 Fluid
40 Wärmeübertragungssystem (Kessel, insbesondere Dampfkessel)
40a Kesselraum
41 Fluideingang (Anschluss)
42 Fluideingang (Anschluss)
42a Rohrabschnitt
43 Leitungssystem
43a Wärmetauscher (Wärmetauscherelement)
43b, 43c Umlenkung
44 Leitungssystem
44a Leitungssystem (Wärmetauscher)
45 Anschluss (Fluidausgang, Kesselausgang)
46 Anschluss (Fluidausgang)
47 Kesselausgang
47 Kesselraum 48 Fluid, Fluidstrom
50 Rückführleitung (Abgasrückführleitung)
51 Verzweigungselement
51 a Teilstrom
51 b Teilstrom
52 Mischer
52a Oxidationsmittelstronn (Frischluftstrom)
60 Wärmetauscher
70 Vorheiz-, Wärmetauscher (Vorheizer) 80 Verzweigungselement
201 Brenner (Gasturbinenbrenner)
201 a Oxidationsmittelzuführung
201 b Brennstoffversorgung
201 c Abgas (Rauch- oder Abgas)
201 d Abgasrohr
202 Verdichter
202a Lufteinlass
202b Frischluftstrom
202c Oxidationsmittelstrom (Frischluftstrom)
203 Turbine
203a Turbineneinlass
203c Abgas (wärmeführendes Rauch- oder Abgas)
204 Kraftverbraucher
204a elektrischer Generator
205 Welle
206 Rekuperator
206c abgekühltes Rauch- oder Abgas
207 Bypass-System
207a Bypass-Steuerelement
207b Bypass-Leitung
207c Teilstrom 208 Bypass-System
208a Bypass-Steuerelement
208b Bypass-Leitung
208c Teilstrom
300 Heizbrenner
301 Flamm- oder Brennrohr 301 a Stirnseite
301 b Mantelfläche
310 Brenner
320 Flanscheinheit
330 Brennermodul
331 Flammbereich
332 Brennerdüse
340 Zumischeinheit
341 Mischteller
342 Bohrung
343 Injektionsdüse
344 Verteilerkanal
345 Versorgungseingang

Claims

Energiewandler-System (1 ) umfassend eine Anlage zur Umsetzung von Energie (2), die einen wärmeführenden Fluidstrom aus einem ersten Fluid (22) bereitstellt, und ein Wärmeübertragungssystem (4) in Form eines Kessels (40), der mit der Anlage zur Umsetzung von Energie (2, 20, 20a, 20b, 20c) über den Fluidstrom aus dem ersten Fluid (22) in einer Wärmeübertragungsbeziehung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur Umsetzung von Energie (2) eine Gasturbinenanlage (20, 20a, 20b, 20c) mit einem Gasturbinenbrenner (201 ) ist, dessen Abgase (201 c) zur Bereitstellung und Übertragung von mechanischer Energie an einen Kraftverbraucher (202, 204), insbesondere an einen elektrischen Generator (204a), wenigstens teilweise einer Turbine (203) zugeführt werden, wobei die aus der Turbine (203) strömenden Abgase (201 c, 203c) wenigstens teilweise den Fluidstrom aus dem ersten Fluid (22) bilden.
Energiewandler-System (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinenanlage (20) als eine teil-rekuperierte Mikro- gasturbine (20bb, 20c) ausgebildet ist, die einen Verdichter (202) zur Bereitstellung eines vorgespannten Oxidationsmittelstroms (202c) und einen Rekuperator (206) zur Vorerwärmung des vorgespannten Oxidationsmittelstroms (202c) durch Übertragung eines Teils der Wärme der aus der Turbine (203) strömenden Abgase (201 c, 203c) auf den vorgespannten Oxidationsmittelstrom (202c) aufweist, und die einen Flu- idausgang (21 ) hat, über den der wärmeführende Fluidstrom aus dem ersten Fluid (22) aus der Gasturbinenanlage (20) abgeführt wird.
Energiewandler-System (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrogasturbine eine variabel teil-rekuperierte Mikrogas- turbine (20c) ist.
Energiewandler-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrogasturbine ein Bypass-System (207) zur zumindest teilweisen Umgehung des Rekuperators (206) enthält, wobei das Bypass- System (207, 208) zumindest einen Teilstrom (207c) des in einem Verdichter vorgespannten Oxidationsmittelstroms (202c) um den Rekuperator (206) herumführt.
Energiewandler-System (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypass-System (207) ein Bypass-Steuerelement (207a) und eine Bypass-Leitung (207b) aufweist, wobei das Bypass-Steuerelement (207a) dazu dient, den Teilstrom (207c) einstellbar- oder wählbar auszuführen, und wobei die Bypass-Leitung (207b) dazu dient, einen mittels des Bypass- Steuerelements (207a) aus den aus der Turbine (203) strömenden Abgasen (201 c, 203c) abgezweigten und/oder ausgeleiteten Teilstrom (207c) um den Rekuperator (206) herumzuführen und dem vorgewärmten, vorgespannten Frischluftstrom (202c) vor dem Gasturbinenbrenner (201 ) wieder zuzuführen.
Energiewandler-System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrogasturbine ein Bypass-System (208) zur zumindest teilweisen Umgehung des Rekuperators (206) enthält, wobei das Bypass-System (208) zumindest einen Teilstrom (208c) des Abgases (203c) um den Rekuperator (206) herumführt.
Energiewandler-System (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypass-System (208) ein Bypass-Steuerelement (208a) hat, welches dazu vorgesehen ist, den Teilstrom (208c) einstellbar- oder wählbar auszuführen, und eine Bypass-Leitung (208b) enthält, über welche der von dem Bypass-Steuerelement (208a) abgezweigte und/oder ausgeleitete Teilstrom (208c) der Abgase (203c) um den Rekuperator (206) herumgeführt und nach dem Rekuperator (206) dem im Rekuperator (206) zumindest teilweise abgekühlten Abgasen wieder zugeführt werden kann.
Energiewandler-System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine weitere Anlage zur Umsetzung von Energie (3), insbesondere einer Anlage mit einem Heizbrenner (30) oder mit einer Wärmepumpe, wobei die weitere Anlage (3, 30) mit dem Wärmeübertragungssystem (4, 40) über einen weiteren Fluidstrom aus einem strömendem weiteren Fluid (32) in einer Wärmeübertragungsbeziehung steht, und wobei insbesondere über das weitere Fluid (32) Wärme von der weiteren Anlage zur Umsetzung von Energie (3, 30) an das Wärmeübertragungssystem (4, 40) übertragen werden kann.
Energiewandler-System (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich über das erste Fluid Wärme an die weitere Anlage zur Umsetzung von Energie (3, 30) übertragen werden kann.
0. Energiewandler-System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das erste Fluid im Wesentlichen die in der Turbine (203) entspannten Abgase (203c) des Gasturbinenbrenners (201 ) sind und das weitere Fluid die Abgase des Heizbrenners (30) sind. Energiewandler-System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid zumindest teilweise vor dem Heizbrenner (30) einem Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstrom (30a, 52a) des Heizbrenners (30) oder im Heizbrenner (30) dem weiteren Fluid (32) zugemischt werden kann.
Energiewandler-System nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid (22) zumindest teilweise einem Vorheiz-Wärmetauscher (60) zugeführt werden kann, welcher für einen Wärmeübertrag auf einen Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstrom (30a, 52a), insbesondere Frischluftstrom, vorgesehen ist.
Energiewandler-System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile des ersten und/oder des weiteren Fluides (22, 32), nachdem es durch einen Wärmeübertrag auf ein weiteres Fluid (48) in dem Kessel (40) thermisch abgekühlt wurde, über eine Rückführleitung (50) dem Heizbrenner (30) für eine weitere Umsetzung und/oder einem zweiten Vorheiz-Wärmetauscher (70), welcher für einen Wärmeübertrag auf einen Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstrom (30a, 52a), insbesondere Frisch luftstrom vorgesehen ist, als Wärmequelle zugeführt werden kann.
Energiewandler-System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Fluid (32) dem ersten Fluid (22) zugemischt werden kann, nachdem es in dem Kessel (40) durch den auf das weitere Fluid (48) erfolgten Wärmeübertrag thermisch abgekühlt wurde.
Energiewandler-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiter ein Mischer (52) zur Bildung eines einstellbaren Gemisches aus mindestens einem der Fluidströme, insbesondere aus dem Fluidstrom aus dem ersten und/oder einem wei- teren Fluid (22, 32), und einem Brennstoff- und/oder Oxidationsmit- telstrom (30a, 52a), insbesondere einem Frisch luftstrom vorgesehen ist.
16. Brenner (310), insbesondere Heizbrenner (30, 300) oder Gasturbinenbrenner (201 ), für ein Energiewandler-System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Brennermodul (330) mit mindestens einer Brennstoffzuführung und einer Oxidationsmittelzuführung, gekennzeichnet durch eine Zumischeinheit (340) für das Zuführen eines vorwiegend gasförmigen Fluides, insbesondere des ersten Fluides (22).
Kessel (40) für ein Energiewandler-System (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch ein erstes Leitungssystem (43) zur Durchleitung des ersten Fluides (22), welches vorzugsweise zumindest abschnittsweise als ein sich zumindest innerhalb eines Kesselraums (40a) erstreckender erster Wärmetauscher (43a) zum Übertrag wenigstens eines Teils der Wärme des ersten Fluides (22) auf ein weiteres, zweites Fluid (48) ausgebildet ist.
Kessel (40) nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch ein zweites Leitungssystem (44) zur Durchleitung eines weiteren, dritten Fluides (32), welches vorzugsweise zumindest abschnittsweise als ein sich zumindest innerhalb eines Kesselraums (40a) erstreckender zweiter Wärmetauscher (44a) zum Übertrag wenigstens eines Teils der Wärme des weiteren, dritten Fluides (32) auf das weitere, zweite Fluid (48) ausgebildet ist.
Kessel (40) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Leitungssysteme (43) zwei Eingänge (41 , 42) und einen Ausgang (45) aufweist, wobei ein Eingang (41 ; 42) für das Einkoppeln des ersten Fluides (22) und der andere Eingang (42; 41 ) für das Einkoppeln des weiteren, dritten Fluides (32) vorgesehen ist. Kessel nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (43) eine ein, zwei oder mehr Umlenkungen (43b, 43c) aufweisendes Rohrsystem hat, wobei der erste Eingang (41 ) durch ein Rohrstück gebildet ist, welches leitungssystemseitig in einer der Umlenkungen (43b, 43c) mündet.
Gasturbinenanlage (20, 20a, 20b, 20c) mit einem Gasturbinenbrenner (201 ), dessen Abgase (201 c) zur Bereitstellung und Übertragung von mechanischer Energie an einen Kraftverbraucher (202, 204), insbesondere an einen elektrischen Generator (204a), wenigstens teilweise einer Turbine (203) zugeführt werden, für ein nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildetes Energiewandler-System (1 ) gekennzeichnet durch einen Verdichter (202) zur Bereitstellung eines vorgespannten Oxidati- onsmittelstroms (202c) und einen Rekuperator (206) zur Vorerwärmung des vorgespannten Oxidationsmittelstroms (202c) durch Übertragung eines Teils der Wärme der aus der Turbine (203) strömenden Abgase (201 c, 203c) auf den vorgespannten Oxidationsmittelstrom (202c), und durch einen Fluidausgang (21 ) für das Abführen der aus der Turbine (203) strömenden Abgase als ein wärmeführender Fluidstrom (22) aus dem ersten Fluid, wobei die Mikrogasturbine ein Bypass-System (207) zur zumindest teilweisen Umgehung des Rekuperators (206) enthält, und wobei das Bypass-System (207, 208) zumindest einen Teilstrom (207c) des in einem Verdichter vorgespannten Oxidationsmittelstroms (202c) um den Rekuperator (206) herumführt.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (206) lediglich einen ein Bruchteil RRekup der Wärme der aus der Turbine (203) strömenden Abgase (201 c, 203c) auf den Oxida- tionsmittelstrom (202c) überträgt, so dass zumindest ein Anteil RNutz von nutzbarer Wärme in den Abgasen (203c) verbleibt.
Gasturbinenanlage (20, 20b, 20c) nach Anspruch 21 , gekennzeichnet durch an dem Rekuperator (206) angeordnete Begrenzungsmittel, die bewirken, dass in dem aus der Turbine (203) strömenden Abgas (203c) nach einem Passieren des Rekuperators (206) ein nennenswerter Anteil RNutz an einer im Wärmeübertragungssystem (4, 40) nutzbaren Abwärme in Form einer Restwärme vorhanden ist.
Verfahren zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie mit einem Energiewandler-System (1 ) umfassend eine insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildete Gasturbinenanlage (20, 20a, 20b, 20c) mit einer Turbine (203), die einen von aus der Turbine (203) strömenden Abgas (203c) gebildeten wärmeführenden Fluidstrom aus einem ersten Fluid (22) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem wärmeführenden Fluidstrom aus dem ersten Fluid (22) thermisch und/oder chemisch gespeicherte Energie zumindest teilweise einem Kessel (40) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rauchgastemperatur T des ersten Fluids (22) des dem Kessel (40) zugeführten wärmeführenden Fluidstroms gilt: 200°C < T < 700°C.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kessel (40) zusätzlich noch Wärme aus einem Heizbrenner (30, 300) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass bei sich ändernden Anforderungen an die durch das Energiewandler-System (1 ) bereitzustellenden Mengen an mechanischer/elektrischer und/oder thermischer Energie ein Rekuperationsgrad eines Rekuperators (206) der Gasturbinenanlage (20c) und/oder ein Massenstrom eines Brennstoffs eines Gasturbinenbrenners (201 ) den Anforderungen nachgeführt oder angepasst werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeführende Fluidstrom aus dem ersten Fluid (22) zumindest teilweise einer Heizanlage (3, 30), insbesondere einem Heizbrenner (30, 300) zugeführt wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass in einem als Luftvorheizer ausgebildeten Wärmetauscher (60, 70) aus dem wärmeführenden Fluidstrom Wärme auf einen der Heizanlage (3, 30) zugeführten Frischluftstrom überträgt.
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