EP3842621A1

EP3842621A1 - Steam generating method, steam generator and use of a roots blower

Info

Publication number: EP3842621A1
Application number: EP20217204.5A
Authority: EP
Inventors: Marlina Hamm
Original assignee: Ebel Corinna
Current assignee: Ebel Corinna
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2040-12-24
Also published as: ES2928410T3; DE102019135820A1; EP3842621B1; PL3842621T3

Abstract

Es ist Verfahren zur Dampferzeugung vorgesehen, bei dem mit Hilfe einer Fördereinrichtung (14) ein Brennstoff einem Verbrenner (12) zur Erzeugung von Hitze zugeführt wird, mit Hilfe der in dem Verbrenner (12) erzeugten Hitze Dampf mit einem Erzeugungsistdruck erzeugt wird, wobei der Erzeugungsistdruck um eine Druckdifferenz Δp größer als ein für eine technische Nutzung des Dampfes vorgesehener Sollbetriebsdruck ist, und der Dampf mit Hilfe eines aus der thermischen Energie des Dampfes mechanische Energie und/oder elektrische Energie erzeugenden Wälzkolbengebläses (22) auf den Sollbetriebsdruck entspannt wird. Durch die effiziente Umwandlung von zusätzlicher Wärmeenergie in höherwertige Energieformen durch das Wälzkolbengebläse (22) kann die Nutzung teurer externer höherwertiger Energie reduziert und/oder durch eine Einspeisung in ein Stromnetz (30) eine Kostenkompensation erreicht werden, so dass eine kostengünstige Erzeugung eines technisch nutzbaren Dampfes ermöglicht ist.A method for generating steam is provided in which, with the aid of a conveying device (14), a fuel is fed to a combustor (12) for generating heat, with the aid of the heat generated in the combustor (12), steam with an actual generation pressure is generated, the Actual generation pressure is a pressure difference Δp greater than a target operating pressure provided for technical use of the steam, and the steam is expanded to the target operating pressure with the help of a Roots blower (22) that generates mechanical energy and / or electrical energy from the thermal energy of the steam. The efficient conversion of additional thermal energy into higher-quality forms of energy by the Roots blower (22) can reduce the use of expensive external higher-quality energy and / or achieve cost compensation by feeding it into a power grid (30), so that a cost-effective generation of technically usable steam is made possible.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dampferzeugung, einen hierzu geeigneten Dampferzeuger sowie eine Verwendung, mit deren Hilfe Dampf für nachfolgende technische Prozesse erzeugt werden kann.The invention relates to a method for generating steam, a steam generator suitable for this purpose, and a use with the aid of which steam can be generated for subsequent technical processes.

Aus DE 10 2017 117 122 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Heizkesselsystems bekannt, bei dem durch Verbrennung eines Treibstoffs in einem Heizkessel Dampf mit einer bestimmten Sollbetriebstemperatur und einem bestimmten Sollbetriebsdruck zum Betrieb einer nachgelagerten zur Stromerzeugung vorgesehenen Hochdruck-Dampfturbine erzeugt wird, indem mit Hilfe eines Steuersystems die Temperatur des den Heizkessel verlassenen Dampfes überwacht wird und erforderlichenfalls Wasser in den Dampfstrom eingesprüht wird, um den Dampf auf die Sollbetriebstemperatur abzukühlen.Out DE 10 2017 117 122 A1 a method for operating a boiler system is known in which, by burning a fuel in a boiler, steam with a specific setpoint operating temperature and a specific setpoint operating pressure for operating a downstream high-pressure steam turbine provided for power generation is generated by using a control system to control the temperature of the boiler leaving steam is monitored and, if necessary, water is sprayed into the steam flow to cool the steam to the desired operating temperature.

Aus EP 1 702 140 B1 ist es bekannt Dampf auf einem niedrigen Temperatur- und Druckniveau einer als Wälzkolbengebläse ausgestalteten Niederdruck-Entspannungsvorrichtung zuzuführen, um auf einen extrem niedrigen Exergieniveau aus technisch nicht mehr nutzbaren Dampf dennoch elektrische Energie erzeugen zu können.Out EP 1 702 140 B1 it is known to supply steam at a low temperature and pressure level to a low-pressure expansion device designed as a Roots blower in order to still be able to generate electrical energy from technically no longer usable steam at an extremely low exergy level.

Aus CH 710 264 A2 ist eine als Druckreduzierstation verwendete Generatoranlage bekannt, bei der ein in einem Heizkessel auf einem hohen Druckniveau erzeugter Wasserdampf in einem Roots-Gebläse auf einen für ein industrielles Dampfleitungsnetz vorgesehenen Solldruck reduziert wird, wobei mit dem Roots-Gebläse ein Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist, der den bei der Entspannung des Wasserdampfes von dem hohen Druck auf den Solldruck erzeugten elektrischen Strom einem Stromnetz zuführt.Out CH 710 264 A2 a generator system used as a pressure reducing station is known in which a water vapor generated in a boiler at a high pressure level is in a Roots blower is reduced to a setpoint pressure provided for an industrial steam line network, a generator for generating electricity being coupled to the Roots blower, which feeds the electrical current generated by the high pressure to the setpoint pressure during the expansion of the water vapor to a power grid.

Es besteht ein ständiges Bedürfnis die Herstellungskosten für die Erzeugung technisch nutzbaren Dampfes zu verringern.There is a constant need to reduce the production costs for the generation of technically usable steam.

Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine kostengünstige Erzeugung eines technisch nutzbaren Dampfes ermöglichen.It is the object of the invention to show measures which enable a cost-effective generation of technically usable steam.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Dampferzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie einer Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.The object is achieved according to the invention by a method with the features of claim 1, a steam generator with the features of claim 9 and a use with the features of claim 15 individually or in combination can represent an aspect of the invention.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dampferzeugung, bei dem mit Hilfe einer Fördereinrichtung ein Brennstoff einem Verbrenner zur Erzeugung von Hitze zugeführt wird, mit Hilfe der in dem Verbrenner erzeugten Hitze Dampf mit einem Erzeugungsistdruck erzeugt wird, wobei der Erzeugungsistdruck um eine Druckdifferenz Δp größer als ein für eine technische Nutzung des Dampfes vorgesehener Sollbetriebsdruck ist, und der Dampf mit Hilfe eines aus der thermischen Energie des Dampfes mechanische Energie und/oder elektrische Energie erzeugenden Wälzkolbengebläses auf den Sollbetriebsdruck entspannt wird, wobei die in dem Wälzkolbengebläse erzeugte Energie zum vollständigen oder teilweisen Betrieb der Fördereinrichtung mechanisch und/oder elektrisch der Fördereinrichtung zugeführt wird.One aspect of the invention relates to a method for generating steam, in which, with the aid of a conveying device, a fuel is supplied to a burner to generate heat, with the aid of the heat generated in the burner, steam is generated with an actual generation pressure, the actual generation pressure being greater by a pressure difference Δp as a target operating pressure provided for technical use of the steam, and the steam is expanded to the target operating pressure with the help of a Roots blower that generates mechanical energy and / or electrical energy from the thermal energy of the steam, with all or part of the energy generated in the Roots blower Operation of the conveyor is supplied mechanically and / or electrically to the conveyor.

Anstatt den Dampf bei der Verdampfung mit dem für die nachfolgende technische Nutzung beabsichtigten Sollbetriebsdruck zu erzeugen, wird der Dampf bewusst mit dem um die Druckdifferenz Δp höheren Erzeugungsistdruck erzeugt. Hierbei wird bewusst in Kauf genommen, dass der Dampf dadurch auf einem höheren Energieniveau als nötig vorliegt und hierzu entsprechend mehr Brennstoff verbrannt werden muss. Die für die Druckerhöhung von Δp im Dampf gespeicherte zusätzliche Wärmemenge wird in dem Wälzkolbengebläses zur Energieerzeugung genutzt. Das Wälzkolbengebläse kann vergleichbar zu einem Druckreduzierventil den Dampf von dem Erzeugungsistdruck auf den Sollbetriebsdruck entspannen aber zusätzlich im Vergleich zu niederwertiger Wärmeenergie höherwertigere Energie, insbesondere mechanische Energie und/oder elektrische Energie erzeugen. Eine Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses kann mechanische Energie ausleiten, die als solche genutzt werden kann oder ganz oder teilweise einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt werden kann. Die von dem Wälzkolbengebläse erzeugte Energie wird zumindest teilweise für die Erzeugung zumindest eines Teils des Dampfes genutzt, so dass eine Zufuhr externer elektrischer Energie vermieden oder zumindest reduziert werden kann. Es ist auch möglich zumindest einen Teil der von dem Wälzkolbengebläse erzeugten Energie in ein Stromnetz einzuspeisen und sich diese Energiezufuhr vergüten zu lassen, wodurch zumindest ein Teil der Gestehungskosten für die Erzeugung des Dampfes kompensiert werden können. Insbesondere wenn die Fördereinrichtung aktuell keine oder weniger elektrische Leistung benötigt, beispielsweise weil aktuelle kein Brennstoff oder weniger Brennstoff zugeführt werden soll, kann die in diesem Fall für die Fördereinrichtung nicht benötigte und überschüssige elektrische Energie dem Stromnetz zugeführt werden.Instead of generating the steam during evaporation with the desired operating pressure intended for the subsequent technical use, the steam is deliberately generated with the actual generation pressure which is higher by the pressure difference Δp. Here, it is consciously accepted that the steam is at a higher energy level than necessary and that more fuel has to be burned for this. The additional amount of heat stored in the steam for the pressure increase of Δp is used in the Roots blower to generate energy. The Roots blower can, in a manner comparable to a pressure reducing valve, relax the steam from the actual generation pressure to the set operating pressure, but also generate higher-quality energy, in particular mechanical energy and / or electrical energy, compared to lower-value thermal energy. An output shaft of the Roots blower can discharge mechanical energy, which can be used as such or can be fed in whole or in part to a generator for generating electrical energy. The energy generated by the Roots blower is at least partially used to generate at least part of the steam, so that the supply of external electrical energy can be avoided or at least reduced. It is also possible to feed at least part of the energy generated by the Roots blower into a power grid and to have this energy supply remunerated, whereby at least part of the production costs for the generation of the steam can be compensated. In particular, if the delivery device currently requires no or less electrical power, for example because no fuel or less fuel is currently to be supplied, the excess electrical energy that is not required for the delivery device in this case can be fed to the power grid.

Berechnungen und/oder Versuche haben ergeben, dass auf dem vergleichsweise hohen Druckniveau, das für eine technische Verwendung des Dampfes erforderlich ist, das Wälzkolbengebläse mit einem sehr hohen Wirkungsgrad Wärmeenergie in mechanische Energie umwandeln kann. Unter Vernachlässigung von Reibungs- und Leckageeffekten in dem Wälzkolbengebläse lassen sich für die Konvertierung von thermischer Energie in mechanische Energie theoretische Wirkungsgrade von annähernd 1 erreichen. Selbst wenn in einem worst case Scenario Reibungs- und Leckageeffekten in dem Wälzkolbengebläse und auch eine zusätzliche Wärmeabfuhr über Oberflächen der beteiligten Bauteile infolge einer durch die zusätzliche Verbrennung erhöhten Temperatur berücksichtigt werden, ist ein Wirkungsgrad für die Konvertierung der für die Druckerhöhung von Δp zusätzlich erforderlichen Wärmeenergie in mechanische Energie an der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses von mindestens 0,72 möglich, wobei ein Wirkungsgrad von 0,85 bis 0,95 realistischer sein dürfte. Für die Konvertierung der an der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses vorliegenden mechanischen Energie in elektrische Energie mit Hilfe eines Generators ist ein Wirkungsgrad von ca. 0,8 bis 0,9 zu erwarten. Da die in einem Stromnetz zur Verfügung gestellte elektrische Energie unter Verbrennung des selben Brennstoffs mit einem erheblich schlechteren Wirkungsgrad erfolgt, kann die Erzeugung der mechanischen und/oder elektrischen Energie mit Hilfe des Wälzkolbengebläses in einer Anlage, in der dieser Brennstoff sowieso verbrannt wird, viel effizienter und kostengünstiger erfolgen. Die hierzu erforderliche Druckerhöhung Δp ist hierbei relativ gering, so dass die Bauteilfestigkeit der beteiligten Apparate für den erhöhten Erzeugungsistdruck bei den für die Auslegung üblicherweise angewendeten Sicherheitszuschlägen vollkommen ausreichend ist und keine konstruktiven Anpassungen erforderlich sind. Durch die effiziente Umwandlung von zusätzlicher Wärmeenergie in höherwertige Energieformen durch das Wälzkolbengebläse kann die Nutzung teurer externer höherwertiger Energie reduziert und/oder durch eine Einspeisung in ein Stromnetz eine Kostenkompensation erreicht werden, so dass eine kostengünstige Erzeugung eines technisch nutzbaren Dampfes ermöglicht ist.Calculations and / or tests have shown that at the comparatively high pressure level required for technical use of the steam, the Roots blower can convert thermal energy into mechanical energy with a very high degree of efficiency. If the friction and leakage effects in the Roots blower are neglected, theoretical efficiencies of approximately 1 can be achieved for the conversion of thermal energy into mechanical energy. Even if in In a worst case scenario, friction and leakage effects in the Roots blower and additional heat dissipation via the surfaces of the components involved as a result of an increased temperature due to the additional combustion are taken into account, this is an efficiency for converting the additional heat energy required to increase the pressure of Δp into mechanical energy at the output shaft of the Roots blower of at least 0.72 is possible, with an efficiency of 0.85 to 0.95 being more realistic. For the conversion of the mechanical energy present on the output shaft of the Roots blower into electrical energy with the help of a generator, an efficiency of approx. 0.8 to 0.9 can be expected. Since the electrical energy made available in a power grid is achieved by burning the same fuel with a significantly lower degree of efficiency, the generation of mechanical and / or electrical energy with the help of the Roots blower can be much more efficient in a system in which this fuel is burned anyway and cheaper. The pressure increase Δp required for this is relatively small, so that the component strength of the equipment involved is completely sufficient for the increased actual generation pressure with the safety margins usually used for the design and no structural adaptations are required. Thanks to the efficient conversion of additional thermal energy into higher-value forms of energy by the Roots blower, the use of expensive external higher-value energy can be reduced and / or cost compensation can be achieved by feeding it into a power grid, so that a cost-effective generation of technically usable steam is possible.

Da die in dem Wälzkolbengebläse erzeugte Energie zum vollständigen oder teilweisen Betrieb der Fördereinrichtung mechanisch und/oder elektrisch der Fördereinrichtung zugeführt wird, kann die zum Betrieb der Dampferzeugung durch die Verbrennung des Brennstoffs erforderliche Energie mit Hilfe des Wälzkolbengebläses selbst erzeugt werden. Eine Zufuhr von externer Energie, insbesondere elektrische Energie aus einem Stromnetz, kann reduziert oder sogar vollständig vermieden werden. Die Förderung des Brennstoffs für die Dampferzeugung durch Verbrennung des Brennstoffs kann dadurch autonom ohne externe Energiezufuhr erfolgen und selbständig am Laufen gehalten werden. Dadurch ist es ausreichend, wenn lediglich die Bevorratung des Brennstoffs nachgehalten wird. Insbesondere bei Industrieanlagen, die einen kontinuierlichen Bedarf an Dampf auf einem bestimmten Sollbetriebsdruck haben, ergibt sich eine sehr einfache selbstversorgte Dampfversorgung. Vorzugsweise wird als Brennstoff ein Gas, beispielsweise Erdgas, verwendet, so dass die Fördereinrichtung als Gasgebläse ausgeführt sein kann, beispielsweise als Verdichter. Ein Förderorgan der Fördereinrichtung kann von dem Wälzkolbengebläse mechanisch oder elektrisch über einen Antriebsmotor angetrieben werden. Bei einem mechanischen Antrieb der Fördereinrichtung kann das Förderorgan der Fördereinrichtung vergleichbar zu einem Turbolader mit der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläse gekoppelt sein, wobei insbesondere zwischen dem Förderorgan der Fördereinrichtung und der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläse ein Getriebe zur Drehzahlwandlung und/oder eine Trennkupplung und/oder ein, vorzugsweise schaltbarer, Freilauf vorgesehen sein kann. Die Fördereinrichtung kann insbesondere auch aus einem Stromnetz heraus elektrisch angetrieben werden, insbesondere um während einer Anlaufphase, wenn noch kein Dampf auf Erzeugungsistdruck vorliegt, die Fördereinrichtung unabhängig von dem Wälzkolbengebläse betreiben zu können. Besonders bevorzugt kann zumindest ein Teil der von dem Wälzkolbengebläse erzeugten Energie als elektrische Energie in einer wiederaufladbaren Batterie gespeichert werden, so dass die Fördereinrichtung für die Anlaufphase aus der wiederaufladbaren Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden kann, wobei die wiederaufladbare Batterie nach der Anlaufphase von dem Wälzkolbengebläse wieder aufgeladen wird. Die Fördereinrichtung kann dadurch permanent vom Stromnetz getrennt sein und in Situationen, wenn das Wälzkolbengebläse aktuell nicht genügend Energie zum Betrieb der Fördereinrichtung liefert, aus der wiederaufladbaren Batterie gespeist werden.Since the energy generated in the Roots blower is mechanically and / or electrically fed to the conveying device for complete or partial operation of the conveying device, the energy required to operate the steam generation through the combustion of the fuel can be generated with the help of the Roots blower itself. A supply of external energy, in particular electrical energy from a power grid, can be reduced or even completely avoided. The promotion of the fuel for the steam generation by combustion of the fuel can thereby autonomously without external Energy supply take place and are kept running independently. This means that it is sufficient if only the supply of fuel is monitored. In particular in industrial plants that have a continuous demand for steam at a certain setpoint operating pressure, a very simple self-sufficient steam supply results. A gas, for example natural gas, is preferably used as fuel, so that the delivery device can be designed as a gas fan, for example as a compressor. A conveying element of the conveying device can be driven mechanically or electrically by the Roots blower via a drive motor. In the case of a mechanical drive of the conveying device, the conveying element of the conveying device can be coupled to the output shaft of the Roots blower in a manner comparable to a turbocharger, with a gear for speed conversion and / or a separating clutch and / or, preferably, between the conveying element of the conveying device and the output shaft of the Roots blower switchable, free-wheeling can be provided. The conveying device can in particular also be driven electrically from a power network, in particular in order to be able to operate the conveying device independently of the Roots blower during a start-up phase when there is still no steam at the actual generation pressure. Particularly preferably, at least part of the energy generated by the Roots blower can be stored as electrical energy in a rechargeable battery, so that the feed device for the start-up phase can be supplied with electrical energy from the rechargeable battery, the rechargeable battery being supplied by the Roots blower after the start-up phase being recharged. As a result, the delivery device can be permanently disconnected from the power supply and, in situations when the Roots blower currently does not supply enough energy to operate the delivery device, it can be fed from the rechargeable battery.

Das nach dem Prinzip der Rotationsverdrängung arbeitende Wälzkolbengebläse weist zwei, insbesondere symmetrische, gegenläufig rotierende Wälzkolben auf, die in einem Abwälzbereich aufeinander abwälzen können. Ein im Ruhezustand des Wälzkolbengebläses zwischen den Wälzkolben in dem Abwälzbereich der Wälzkolben vorgesehener Abstand ist insbesondere derart gewählt, dass unter Berücksichtigung von im laufenden Betrieb auf den Wälzkolben wirkenden Fliehkräften und bei den im laufenden Betrieb zu erwartenden Temperaturen der Abstand minimal wird, vorzugsweise kleiner als 0,1 mm. Der Volumentransport des Dampfes erfolgt in dem Wälzkolbengebläse nicht durch den Abwälzbereich der Wälzkolben hindurch, sondern zwischen dem jeweiligen Wälzkolben und einer Innenseite des Gehäuses. Das Wälzkolbengebläse arbeitet im Wesentlichen isochor. Das Wälzkolbengebläse kann in Form einer Ovalradpumpe ausgeführt sein. Die Wälzkolben können beispielsweise im Wesentlichen den Umriss der Zahl Acht aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die Wälzkolben drei Flügel aufweisen und beispielswiese vergleichbar zu einem Roots-Gebläse ausgestaltet sind. Im Vergleich zu einer Zahnradpumpe weisen die Wälzkolben deutlich weniger abstehende Flügel auf, so dass zwischen zwei Flügeln ein größeres Volumen transportiert werden kann. Insbesondere ist der zwischen zwei Flügeln ausgebildete Bereich im Vergleich zu einem Fußkreis eines Zahnrads konkav ausgebildet. Die Wälzkolben können im Vergleich zu dem Zahnrad einer Zahnradpumpe im mittleren und/oder inneren Bereich nahe der Drehachse verschlankt und/oder konkav ausgeführt sein, so dass innerhalb des Gehäuses mehr Volumen für den Volumentransport zur Verfügung steht und nicht durch das Material der Wälzkolben ausgefüllt ist. Der jeweilige Flügel des Wälzkolbens kann hierbei beispielswiese im Wesentlichen tropfenförmig von der Drehachse des Wälzkolben abstehen. Im Gegensatz zu einer Schraubenpumpe weisen die Wälzkolben des Wälzkolbengebläses nur einen geringen Abwälzbereich auf, so dass Reibungseffekte im Abwälzbereich, sofern überhaupt vorhanden, minimiert werden können. Das Wälzkolbengebläse kann mit einer geringen Gasreibung arbeiten und kann gleichzeitig gegen Flüssigkeitstropfen unempfindlich sein. Die Wälzkolben des Wälzkolbengebläses können bei Drehzahlen betrieben werden, bei denen die Dichtkante am Außenradius Geschwindigkeiten von mehr als etwa 1/10 der Schallgeschwindigkeit erreicht. Ein zwischen den Wälzkolben und dem Gehäuse verbleibender Spalt kann bei einer derartigen Drehzahl als dynamische Dichtung wirken.The Roots blower working according to the principle of rotational displacement has two, in particular symmetrical, Roots rotating in opposite directions, which can roll over one another in a rolling area. When the Roots blower is at rest, there is a spacing between the Roots in the rolling area of the Roots in particular selected such that, taking into account centrifugal forces acting on the Roots during operation and at the temperatures to be expected during operation, the distance is minimal, preferably less than 0.1 mm. The volume transport of the steam in the Roots blower does not take place through the rolling area of the Roots, but between the respective Roots and an inside of the housing. The Roots blower works essentially isochorically. The Roots blower can be designed in the form of an oval gear pump. The Roots can, for example, essentially have the outline of the number eight. It is also possible, however, for the Roots to have three blades and, for example, to be designed in a manner comparable to a Roots blower. Compared to a gear pump, the Roots pistons have significantly fewer protruding vanes, so that a larger volume can be transported between two vanes. In particular, the area formed between two vanes is concave in comparison to a root circle of a gearwheel. The Roots can be made slender and / or concave in the middle and / or inner area near the axis of rotation compared to the gear of a gear pump, so that more volume is available for the volume transport within the housing and is not filled by the material of the Roots . The respective wing of the Roots can, for example, protrude from the axis of rotation of the Roots in a substantially drop shape. In contrast to a screw pump, the Roots lobes of the Roots blower have only a small rolling area, so that friction effects in the rolling area, if any, can be minimized. The Roots blower can work with low gas friction and at the same time can be insensitive to liquid droplets. The Roots of the Roots blower can be operated at speeds at which the sealing edge on the outer radius reaches speeds of more than about 1/10 of the speed of sound. A gap remaining between the Roots and the housing can act as a dynamic seal at such a speed.

Das eigentlich für die Vakuumtechnik entwickelte Wälzkolbengebläse, das in der Regel in einem Absolutdruckbereich von 0 bar bis 1 bar betrieben wird, wird abweichend zum üblichen Betrieb nicht als Saugpumpe zur Erzeugung eines Vakuums, sondern als Arbeitsmaschine und/oder Generator betrieben. Hierbei hat sich gezeigt, dass das eigentlich nur für einen sehr niedrigen Niederdruckbereich vorgesehene Wälzkolbengebläse tatsächlich auch auf einem hohen Druckbereich sehr effizient betrieben werden kann, sofern die Druckdifferenz zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Wälzkolbengebläses nicht zu hoch wird. Im Vergleich zu einer Turbine beziehungsweise Expander ist die Druckdifferenz beim Wälzkolbengebläse erheblich geringer, wobei jedoch der Wirkungsgrad des Wälzkolbengebläses auch über einen großen Temperaturbereich deutlich besser sein kann. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Wälzkolbengebläse für einen Hochdruckbetrieb ausreichend ertüchtigt. Beispielsweise weist das Wälzkolbengebläse spezielle für den Erzeugungsistdruck geeignet ausgestaltete Dichteinrichtungen auf, mit deren Hilfe aus einem Gehäuse des Wälzkolbengebläses austretende Wellenenden der Wellen der Wälzkolben abgedichtet sind. Die Dichteinrichtung kann insbesondere als mehrstufige Dichtung ausgestaltet sein, bei der zwei oder mehr Dichtelemente in axialer Richtung hintereinander vorgesehen sind, die auf unterschiedlichen Druckniveaus abdichten, so dass jedes Dichtelement gegen eine vergleichsweise geringe und/oder im Wesentlichen jeweils gleich große Druckdifferenz abdichtet. Vorzugsweise ist nur ein Wellenende der Ausgangswelle, die gleichzeitig eine Welle eines der Wälzkolben ist, aus dem Gehäuse herausgeführt, während die übrigen Wellenenden der Wellen der Wälzkolben innerhalb des Gehäuses des Wälzkolbengebläses angeordnet und gelagert sind. Insbesondere weist das Gehäuse des Wälzkolbengebläses zwei miteinander über eine Hochdruckdichtung miteinander verbundene Gehäusehälften auf. Das Gehäuse weist insbesondere nur einen Einlass, einen Auslass und genau eine Wellendurchführung für ein Wellenende der Ausgangswelle als Durchführungen durch das Gehäuse auf.The Roots blower actually developed for vacuum technology, which is usually operated in an absolute pressure range from 0 bar to 1 bar, is not operated as a suction pump to generate a vacuum, but as a work machine and / or generator. It has been shown here that the Roots blower, which is actually only intended for a very low low pressure range, can actually also be operated very efficiently in a high pressure range, provided the pressure difference between an inlet and an outlet of the Roots blower is not too high. Compared to a turbine or an expander, the pressure difference in the Roots blower is considerably lower, but the efficiency of the Roots blower can also be significantly better over a large temperature range. In particular, the Roots blower according to the invention is sufficiently upgraded for high pressure operation. For example, the Roots blower has special sealing devices designed to be suitable for the actual generation pressure, with the aid of which shaft ends of the Roots shafts emerging from a housing of the Roots blower are sealed. The sealing device can in particular be designed as a multi-stage seal in which two or more sealing elements are provided one behind the other in the axial direction, which seal at different pressure levels, so that each sealing element seals against a comparatively small and / or essentially the same pressure difference. Preferably, only one shaft end of the output shaft, which is also a shaft of one of the Roots pistons, is led out of the housing, while the remaining shaft ends of the shafts of the Roots pistons are arranged and supported within the housing of the Roots blower. In particular, the housing of the Roots blower has two housing halves connected to one another via a high-pressure seal. In particular, the housing has only one inlet, one outlet and precisely one shaft bushing for one shaft end of the output shaft as bushings through the housing.

Insbesondere erfolgt das Zuführen der Energie von dem Wälzkolbengebläse an die Fördereinrichtung unter Umgehung eines externen Stromnetzes, insbesondere im Wesentlichen direkt und/oder unmittelbar. Das Wälzkolbengebläse kann beispielsweise mechanisch mit der Fördereinrichtung über eine Welle in der Art eines Turboladers gekoppelt sein. Eine Wandlung der an einem Wellenausgang des Wälzkolbengebläse vorliegende mechanische Energie in elektrische Energie kann dadurch eingespart werden, wodurch sich ein besonders hoher Wirkungsgrad ergibt. Wenn die an dem Wellenausgang des Wälzkolbengebläse vorliegende mechanische Energie, insbesondere mit Hilfe einer als Generator ausgestalteten und/oder betriebenen elektrischen Maschine, in elektrische Energie umgewandelt wird, kann die von dem Generator erzeugte elektrische Energie, insbesondere über eine Leistungsschaltung, im Wesentlichen direkt und unmittelbar der Fördereinrichtung zugeführt werden. Leistungsverluste, insbesondere über ohmsche Widerstände des externen Stromnetzes, können dadurch vermieden werden, so dass sich im Vergleich zu einer Einspeisung der elektrischen Energie des Generators in das Stromnetz und einen Betrieb der Fördereinrichtung mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz ein besserer Wirkungsgrad ergibt. Insbesondere ist ein mit dem Wälzkolbengebläse gekoppelter Generator über eine, insbesondere möglichst kurze, Stromleitung gegebenenfalls über eine zwischengeschaltete Leistungselektronik zur Anpassung der eingespeisten elektrischen Energie an die elektrischen Anforderungen der Fördereinrichtung an der Fördereinrichtung elektrisch angeschlossen. Der elektrische Betrieb der Fördereinrichtung kann über eine an dem Wälzkolbengebläse und dem mit dem Wälzkolbengebläse gekoppelten Generator beginnende interne Stromversorgung erfolgen, so dass ein externes Stromnetz, an dem auch andere elektrischen Verbraucher angeschlossen sind, nicht benötigt wird und vermieden werden kann. Vorzugsweise weist die von dem mit dem Wälzkolbengebläse gekoppelten Generator zu der Fördereinrichtung verlaufende interne Stromversorgung als einzigen elektrischen Verbraucher ausschließlich die Fördereinrichtung auf.In particular, the supply of energy from the Roots blower to the conveying device takes place while bypassing an external power network, in particular in the Essentially directly and / or immediately. The Roots blower can, for example, be mechanically coupled to the conveying device via a shaft in the manner of a turbocharger. A conversion of the mechanical energy present at a shaft output of the Roots blower into electrical energy can be saved as a result, which results in a particularly high degree of efficiency. If the mechanical energy present at the shaft output of the Roots blower is converted into electrical energy, in particular with the help of an electrical machine designed and / or operated as a generator, the electrical energy generated by the generator can be essentially directly and immediately are fed to the conveyor. Power losses, in particular via ohmic resistances of the external power grid, can be avoided, so that there is a better degree of efficiency compared to feeding the electrical energy of the generator into the power grid and operating the conveyor with electrical energy from the power grid. In particular, a generator coupled to the Roots blower is electrically connected to the conveyor device via a power line, in particular as short as possible, possibly via an intermediate power electronics unit to adapt the electrical energy fed in to the electrical requirements of the conveyor device. The electrical operation of the conveying device can take place via an internal power supply beginning at the Roots blower and the generator coupled to the Roots blower, so that an external power supply to which other electrical consumers are also connected is not required and can be avoided. Preferably, the internal power supply running from the generator coupled to the Roots blower to the conveying device has only the conveying device as the only electrical consumer.

Vorzugsweise wird mit Hilfe einer Pumpe ein verdampfbares Arbeitsmedium in einen vom dem Verbrenner erhitzen Dampfkessel gepumpt, wobei die in dem Wälzkolbengebläse erzeugte Energie zum vollständigen oder teilweisen Betrieb der Pumpe mechanisch und/oder elektrisch der Pumpe zugeführt wird. Als Arbeitsmedium kann insbesondere Wasser verwendet werden, wobei es auch möglich ist ein Kältemittel zu verwenden. Das Arbeitsmittel kann vorzugsweise in einem geschlossenen Kreislauf im Kreis geführt sein, wobei das Arbeitsmedium vor der Verdampfung, insbesondere in einem Dampfkessel, kondensiert wird. Besonders bevorzugt wird das Arbeitsmedium nahezu siedend oder etwas unterhalb des Siedepunkts dem Dampfkessel zugeführt, so dass entsprechend wenig Brennstoff verbrannt werden muss, um das Arbeitsmedium zu verdampfen und auf den Erzeugungsistdruck zu bringen. Insbesondere wenn als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, ist es auch möglich ein offenes System zu verwenden, wodurch der apparative Aufwand verringert werden kann und eine spätere Kondensation des Arbeitsmediums eingespart werden kann. Vorzugsweise kann das Arbeitsmedium eine Vorerwärmung und/oder Zwischenüberhitzung, insbesondere mit Hilfe von in dem Arbeitsmedium nach einer technischen Nutzung verbliebenen Restwärme, erfahren, so dass bei der Verbrennung ein geringerer Brennstoffeinsatz ausreichend ist die gewünschte Temperatur und den Erzeugungsistdruck bei der Verdampfung zu erreichen. Durch die Koppelung des Wälzkolbengebläses mit der Pumpe kann die zur Förderung des Arbeitsmediums erforderliche Energie selbst mit Hilfe des Wälzkolbengebläses erzeugt werden. Eine Zufuhr von externer Energie, insbesondere elektrische Energie aus einem Stromnetz, kann reduziert oder sogar vollständig vermieden werden. Die Förderung des Arbeitsmediums für die Dampferzeugung kann dadurch autonom ohne externe Energiezufuhr erfolgen und selbständig am Laufen gehalten werden. Insbesondere bei Industrieanlagen, die einen kontinuierlichen Bedarf an Dampf auf einem bestimmten Sollbetriebsdruck haben, ergibt sich eine sehr einfache selbstversorgte Dampfversorgung. Ein Förderorgan der Pumpe kann von dem Wälzkolbengebläse mechanisch oder elektrisch über einen Antriebsmotor angetrieben werden. Bei einem mechanischen Antrieb der Pumpe kann das Förderorgan der Pumpe vergleichbar zu einem Turbolader mit der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläse gekoppelt sein, wobei insbesondere zwischen dem Förderorgan der Pumpe und der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläse ein Getriebe zur Drehzahlwandlung und/oder eine Trennkupplung und/oder ein, vorzugsweise schaltbarer, Freilauf vorgesehen sein kann. Die Pumpe kann insbesondere auch aus einem Stromnetz heraus elektrisch angetrieben werden, insbesondere um während einer Anlaufphase, wenn noch kein Dampf auf Erzeugungsistdruck vorliegt, die Pumpe unabhängig von dem Wälzkolbengebläse betreiben zu können. Besonders bevorzugt kann zumindest ein Teil der von dem Wälzkolbengebläse erzeugten Energie als elektrische Energie in einer wiederaufladbaren Batterie gespeichert werden, so dass die Pumpe für die Anlaufphase aus der wiederaufladbaren Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden kann, wobei die wiederaufladbare Batterie nach der Anlaufphase von dem Wälzkolbengebläse wieder aufgeladen wird. Die Pumpe kann dadurch permanent vom Stromnetz getrennt sein und in Situationen, wenn das Wälzkolbengebläse aktuell nicht genügend Energie zum Betrieb der Fördereinrichtung liefert, aus der wiederaufladbaren Batterie gespeist werden.A vaporizable working medium is preferably pumped into a steam boiler heated by the burner with the aid of a pump, the energy generated in the Roots blower being fed mechanically and / or electrically to the pump for complete or partial operation of the pump. In particular, water can be used as the working medium can be used, it is also possible to use a refrigerant. The working medium can preferably be circulated in a closed circuit, the working medium being condensed before evaporation, in particular in a steam boiler. The working medium is particularly preferably fed to the steam boiler at almost boiling point or slightly below the boiling point, so that correspondingly little fuel has to be burned in order to evaporate the working medium and bring it to the actual generation pressure. In particular, when water is used as the working medium, it is also possible to use an open system, which means that the outlay on equipment can be reduced and later condensation of the working medium can be saved. The working medium can preferably be preheated and / or reheated, in particular with the help of residual heat remaining in the working medium after a technical use, so that less fuel is used during combustion to achieve the desired temperature and the actual generation pressure during evaporation. By coupling the Roots blower with the pump, the energy required to convey the working medium can be generated with the help of the Roots blower. A supply of external energy, in particular electrical energy from a power grid, can be reduced or even completely avoided. The conveying of the working medium for the steam generation can thus take place autonomously without external energy supply and can be kept running independently. In particular in industrial plants that have a continuous demand for steam at a certain setpoint operating pressure, a very simple self-sufficient steam supply results. A conveying element of the pump can be driven mechanically or electrically by the Roots blower via a drive motor. In the case of a mechanical drive of the pump, the conveying element of the pump can be coupled to the output shaft of the Roots blower in a manner comparable to a turbocharger, in particular between the conveying element of the pump and the output shaft of the Roots blower a gear for speed conversion and / or a separating clutch and / or, preferably switchable, free-wheeling can be provided. In particular, the pump can also be driven electrically from a power supply system, in particular in order to be able to operate the pump independently of the Roots blower during a start-up phase, when there is still no steam at the actual generation pressure. Particularly preferably, at least part of the energy generated by the Roots blower can be stored as electrical energy in a rechargeable battery, so that the pump can be supplied with electrical energy from the rechargeable battery for the start-up phase, the rechargeable battery being supplied by the Roots blower after the start-up phase being recharged. As a result, the pump can be permanently disconnected from the power supply and, in situations when the Roots blower does not currently provide enough energy to operate the delivery device, it can be fed from the rechargeable battery.

Insbesondere ist es möglich, dass die Pumpe zusätzlich oder alternativ zu der Fördereinrichtung aus der aus dem Wälzkolbengebläse stammenden Energie gespeist wird. Ein unabhängiger Aspekt der Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Dampferzeugung, bei dem ,insbesondere mit Hilfe einer Fördereinrichtung, ein Brennstoff einem Verbrenner zur Erzeugung von Hitze zugeführt wird, mit Hilfe einer Pumpe ein verdampfbares Arbeitsmedium in einen vom dem Verbrenner erhitzen Dampfkessel gepumpt wird, mit Hilfe der in dem Verbrenner erzeugten Hitze in dem Dampfkessel Dampf mit einem Erzeugungsistdruck erzeugt wird, wobei der Erzeugungsistdruck um eine Druckdifferenz Δp größer als ein für eine technische Nutzung des Dampfes vorgesehener Sollbetriebsdruck ist, und der Dampf mit Hilfe eines aus der thermischen Energie des Dampfes mechanische Energie und/oder elektrische Energie erzeugenden Wälzkolbengebläses auf den Sollbetriebsdruck entspannt wird, wobei die in dem Wälzkolbengebläse erzeugte Energie zum vollständigen oder teilweisen Betrieb der Pumpe mechanisch und/oder elektrisch der Pumpe zugeführt wird. Zusätzlich kann die in dem Wälzkolbengebläse erzeugte Energie zum vollständigen oder teilweisen Betrieb der Fördereinrichtung mechanisch und/oder elektrisch der Fördereinrichtung zugeführt werden. Die Anbindung der Pumpe an das Wälzkolbengebläse kann analog zu der vorstehend beschriebenen Anbindung der Fördereinrichtung an das Wälzkolbengebläse ausgestaltet sein. Das Verfahren kann wie vorstehend anhand des ersten Aspekts der Erfindung beschrieben aus- und weitergebildet sein. Die nachfolgend beschriebenen Merkmale stellen für beide vorstehend beschriebenen Aspekte der Erfindung vorteilhafte Weiterbildungen dar.In particular, it is possible that the pump is additionally or alternatively fed to the delivery device from the energy originating from the Roots blower. An independent aspect of the invention thus relates to a method for generating steam, in which, in particular with the aid of a conveyor device, a fuel is supplied to a burner for generating heat, with the aid of a pump a vaporizable working medium is pumped into a steam boiler heated by the burner With the help of the heat generated in the burner, steam is generated in the steam boiler with an actual generation pressure, the actual generation pressure being a pressure difference Δp greater than a setpoint operating pressure intended for technical use of the steam, and the steam using a mechanical pressure from the thermal energy of the steam Energy and / or electrical energy generating Roots blower is expanded to the target operating pressure, wherein the energy generated in the Roots blower for complete or partial operation of the pump is mechanically and / or electrically supplied to the pump. In addition, the energy generated in the Roots blower can be fed mechanically and / or electrically to the conveying device for full or partial operation of the conveying device. The connection of the pump to the Roots blower can be configured analogously to the connection of the delivery device to the Roots blower described above. The method can be developed and further developed as described above with reference to the first aspect of the invention be. The features described below represent advantageous developments for both aspects of the invention described above.

Besonders bevorzugt wird zumindest ein Teil der in dem Wälzkolbengebläse erzeugten Energie in ein Stromnetz eingespeist. Die in das Stromnetz eingespeiste Energie kann vergütet werden, so dass mit dieser Vergütung Herstellungskosten für die Dampferzeugung zumindest teilweise kompensiert werden können. Berechnungen zeigen, dass die in dem Wälzkolbengebläse erzeugbare elektrische Energie größer ist als für ein Gasgebläse zur Förderung von Erdgas als Brennstoff erforderlich ist, so dass ein Anteil der in dem Wälzkolbengebläse erzeugten Energie intern nicht benötigt wird und über das Stromnetz an externe Verbraucher abgeführt werden kann. Durch die Verwendung des Wälzkolbengebläses zur Druckreduzierung kann neben der Erzeugung von Dampf für technische Zwecke sogar noch zusätzlich verfügbare hochwertige Energie erzeugt werden. Nicht nur, dass die Dampferzeugung prinzipiell ohne externe elektrische Energie auskommt, kann bei der Dampferzeugung auch noch frei verfügbare elektrische Energie erzeugt werden, ohne dass hierzu spezielle konstruktive Anpassungen des Verbrenners und des Dampfkessels erforderlich wären.Particularly preferably, at least part of the energy generated in the Roots blower is fed into a power grid. The energy fed into the power grid can be remunerated, so that production costs for steam generation can be at least partially compensated for with this remuneration. Calculations show that the electrical energy that can be generated in the Roots blower is greater than that required for a gas blower to deliver natural gas as fuel, so that part of the energy generated in the Roots blower is not required internally and can be transferred to external consumers via the power grid . By using the Roots blower to reduce pressure, in addition to generating steam for technical purposes, it is even possible to generate additionally available high-quality energy. Not only does the steam generation function in principle without external electrical energy, freely available electrical energy can also be generated during steam generation without the need for special structural adaptations to the burner and the steam boiler.

Insbesondere wird zumindest nach einer Anlaufphase zur Erreichung eines regulären Betriebszustands die Dampferzeugung ausschließlich rein thermisch durch die Verbrennung des Brennstoffs betrieben. Eine Zufuhr externer elektrischer Energie kann vermieden werden, so dass beispielsweise bei einem hohen Dampfbedarf in einer Industrieanlage ein allgemeines Stromnetz nicht belastet wird und Störungen im Stromnetz durch plötzliche hohe Energieaufnahmen bei der Dampferzeugung für die Industrieanlage vermieden sind. Die Fördereinrichtung kann nach Ablauf einer Anlaufphase von einem externen Stromnetz getrennt sein und vorzugsweise ausschließlich von der in dem Wälzkolbengebläse mechanisch und/oder elektrisch erzeugten Energie angetrieben werden. Wenn eine wiederaufladbare Batterie vorgesehen ist, die von dem Wälzkolbengebläse im regulären Betriebszustand aufgeladen werden kann, können bei der Dampferzeugung verwendete elektrische Verbraucher während der Anlaufphase aus der wiederaufladbaren Batterie gespeist werden, so dass auch in der Anlaufphase ein batterieunterstützer rein thermischer Betrieb ohne externes Stromnetz ermöglicht ist, da auch die in der wiederaufladbaren Batterie gespeicherte elektrische Energie ein Resultat der thermischen Verbrennung bei einer vorherigen Dampferzeugung ist.In particular, at least after a start-up phase in order to achieve a regular operating state, the steam generation is operated exclusively purely thermally through the combustion of the fuel. A supply of external electrical energy can be avoided, so that, for example, when there is a high demand for steam in an industrial plant, a general power grid is not loaded and disturbances in the power grid due to sudden high energy consumption during steam generation for the industrial plant are avoided. After a start-up phase has elapsed, the conveying device can be disconnected from an external power supply and preferably driven exclusively by the energy generated mechanically and / or electrically in the Roots blower. If a rechargeable battery is provided, which can be charged by the Roots blower in the regular operating state, can be used in the steam generation electrical consumers are fed from the rechargeable battery during the start-up phase, so that battery-supported, purely thermal operation without an external power supply is also possible in the start-up phase, since the electrical energy stored in the rechargeable battery is also a result of thermal combustion during previous steam generation.

Vorzugsweise wird die Förderleistung der Fördereinrichtung derart eingestellt, dass die Druckdifferenz Δp 0,1 bar ≤ Δp ≤ 2,5 bar, insbesondere 0,3 bar ≤ Δp ≤ 1,5 bar und vorzugsweise 0,5 bar ≤ Δp ≤ 1,0 bar beträgt. Diese Druckdifferenz kann von dem Wälzkolbengebläse mit einem sehr hohen Wirkungsgrad genutzt werden, um mechanische und/oder elektrische Energie zu erzeugen. Berechnungen zeigen, dass eine derartig kleine Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass von dem Wälzkolbengebläse durchaus noch wirtschaftlich zur Energieerzeugung mit hohen Wirkungsgrad genutzt werden kann. Eine Regelung der Förderleistung der Fördereinrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen Erzeugungsistdruck ist hierbei ausreichend und einfach umzusetzen. Über die Förderleistung der Fördereinrichtung kann die der Verbrennung zugeführte Brennstoffmenge beeinflusst werden, so dass der Energieeintrag in den Dampfkessel in Folge der bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungswärme beeinflusst werden kann.The delivery rate of the delivery device is preferably set such that the pressure difference Δp 0.1 bar Δp 2.5 bar, in particular 0.3 bar Δp 1.5 bar and preferably 0.5 bar Δp 1.0 bar amounts to. This pressure difference can be used by the Roots blower with a very high degree of efficiency in order to generate mechanical and / or electrical energy. Calculations show that such a small pressure difference between the inlet and the outlet of the Roots blower can still be used economically to generate energy with a high degree of efficiency. A regulation of the delivery rate of the delivery device as a function of the measured actual generation pressure is sufficient and easy to implement. The amount of fuel fed to the combustion can be influenced via the delivery rate of the delivery device, so that the energy input into the steam boiler can be influenced as a result of the combustion heat generated during the combustion.

Besonders bevorzugt beträgt der Sollbetriebsdruck p_S p_S ≥ 1,2 bar, insbesondere 2,0 bar ≤ p_S ≤ 100 bar, vorzugsweise 5,0 bar ≤ p_S ≤ 50 bar, weiter bevorzugt 7,0 bar ≤ p_S ≤ 30 bar und besonders bevorzugt 9,0 bar ≤ p_S ≤ 15 bar. Auf einem derartigen Druckniveau kann Dampf für technische Prozesse in Druckverbrauchern und/oder in Heizungen genutzt werden. Bei einer Nutzung des Dampfes zu Heizzwecken ist ein geringeres Druckniveau von in der Regel kleiner 3 bar ausreichend, während bei einem technischen Prozess in der Industrieanlage ein eher höheres Druckniveau von in der Regel mindestens 5 bar gewünscht ist.Particularly preferably, the target operating pressure p _S p _S 1.2 bar, in particular 2.0 bar p _S 100 bar, preferably 5.0 bar p _S 50 bar, more preferably 7.0 bar p _S 30 bar and particularly preferably 9.0 bar p _S 15 bar. At such a pressure level, steam can be used for technical processes in pressure consumers and / or in heating systems. If the steam is used for heating purposes, a lower pressure level of usually less than 3 bar is sufficient, while in a technical process in the industrial plant, a rather higher pressure level of usually at least 5 bar is desired.

Insbesondere wird das Wälzkolbengebläse bei einem Wirkungsgrad η für ein Verhältnis der bei der Verbrennung für die Druckerhöhung von Δp zusätzlich erzeugten thermischen Energie und einer an einer Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses von einem Generator abgreifbaren mechanischen Energie von 0,75 ≤ η ≤ 1,0, insbesondere 0,80 ≤ η ≤ 0,99, vorzugsweise 0,90 ≤ η ≤ 0,98 und besonders bevorzugt 0,95 ≤ η ≤ 0,97 betrieben. Bei einer hinreichend geringen Druckdifferenz Δp kann das für das gewünschte Druckniveau ertüchtigte Wälzkolbengebläse extrem effizient betrieben werden, ohne dass konstruktive Anpassungen an für die Dampferzeugung vorgesehenen Anlagenteilen erforderlich sind. Dadurch lässt sich sehr einfach niederwertige thermische Energie in höherwertige mechanische Energie umwandeln, die in nachfolgenden Prozessen sehr viel effizienter genutzt werden kann.In particular, the Roots blower is at an efficiency η for a ratio of the thermal energy additionally generated during combustion for the pressure increase of Δp and a mechanical energy tapped at an output shaft of the Roots blower from a generator of 0.75 η 1.0, in particular 0 , 80 η 0.99, preferably 0.90 η 0.98 and particularly preferably 0.95 η 0.97. With a sufficiently low pressure difference Δp, the Roots blower, which has been upgraded for the desired pressure level, can be operated extremely efficiently without the need to make structural adaptations to the system parts intended for steam generation. This makes it very easy to convert low-value thermal energy into higher-value mechanical energy, which can be used much more efficiently in subsequent processes.

Vorzugsweise wird eine zum Ausleiten mechanischer Energie vorgesehene Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses mit einer Drehzahl n von 500 U/min ≤ n ≤ 10000 U/min, insbesondere 1000 U/min ≤ n ≤ 6000 U/min und vorzugsweise 4000 U/min ≤ n ≤ 5000 U/min betrieben. Bei einer derartigen Drehzahl können Leckagen an einem zwischen den Wälzkolben und dem Gehäuse ausgebildeten Spalt minimiert werden, wodurch der Wirkungsgrad verbessert ist. Derartige Drehzahlen können von geeigneten Gleitlagern leicht ertragen werden. Zudem können die Wälzkolben die angreifenden Fliehkräfte aushalten, ohne dass eine plastische Verformung zu befürchten ist.Preferably, an output shaft of the Roots blower provided for discharging mechanical energy with a speed n of 500 rpm n 10000 rpm, in particular 1000 rpm n 6000 rpm and preferably 4000 rpm n n 5000 RPM operated. At such a speed, leakages at a gap formed between the Roots and the housing can be minimized, thereby improving the efficiency. Such speeds can easily be endured by suitable plain bearings. In addition, the Roots can withstand the acting centrifugal forces without fear of plastic deformation.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Dampferzeuger zur Durchführung des Verfahrens, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, mit einem Dampfkessel zum Verdampfen eines verdampfbaren Arbeitsmediums auf einem Erzeugungsistdruck, einem Verbrenner zum Erhitzen des Arbeitsmediums in dem Dampfkessel durch eine Verbrennung von Brennstoff, einer Fördereinrichtung zum Fördern des Brennstoffs in den Verbrenner, einer Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums in den Dampfkessel, einem an dem Dampfkessel angeschlossenen Wälzkolbengebläse zur Entspannung des im Wesentlichen auf dem Erzeugungsistdruck zugeführten Dampfes auf einen um eine Druckdifferenz Δp zu dem Erzeugungsistdruck niedrigeren Sollbetriebsdruck und einem stromabwärts zu dem Wälzkolbengebläse vorgesehenen Druckverbraucher, insbesondere Wärmekraftmaschine und/oder Heizung, zur technischen Nutzung des im Wesentlichen auf Sollbetriebsdruck zugeführten Dampfes unter Verringerung des Druckes und/oder der Temperatur des Dampfes, wobei eine an einer Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses abgreifbare mechanische Energie zumindest teilweise mechanisch und/oder elektrisch mit der Fördereinrichtung und/oder mit der Pumpe gekoppelt ist. Der Dampferzeuger kann insbesondere wie vorstehend anhand des Verfahrens erläutert aus- und weitergebildet sein. Durch die effiziente Umwandlung von zusätzlicher Wärmeenergie in höherwertige Energieformen durch das Wälzkolbengebläse kann die Nutzung teurer externer höherwertiger Energie reduziert und/oder durch eine Einspeisung in ein Stromnetz eine Kostenkompensation erreicht werden, so dass eine kostengünstige Erzeugung eines technisch nutzbaren Dampfes ermöglicht ist.Another aspect of the invention relates to a steam generator for carrying out the method, which can be designed and developed as described above, with a steam boiler for evaporating an evaporable working medium at an actual generation pressure, a burner for heating the working medium in the steam boiler by burning fuel , a conveying device for conveying the fuel into the burner, a pump for conveying the working medium into the steam boiler, a Roots blower connected to the steam boiler for expanding the steam supplied essentially at the actual generation pressure to a set operating pressure lower by a pressure difference Δp compared to the actual generation pressure and a pressure consumer provided downstream of the Roots blower, in particular a heat engine and / or heater, for the technical use of the steam, which is essentially supplied to the set operating pressure, while reducing the pressure and / or the temperature of the steam, with mechanical energy that can be tapped at an output shaft of the Roots blower at least partially is mechanically and / or electrically coupled to the delivery device and / or to the pump. The steam generator can be designed and developed in particular as explained above with reference to the method. Thanks to the efficient conversion of additional thermal energy into higher-value forms of energy by the Roots blower, the use of expensive external higher-value energy can be reduced and / or cost compensation can be achieved by feeding it into a power grid, so that a cost-effective generation of technically usable steam is possible.

Besonders bevorzugt ist die an der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses abgreifbare mechanische Energie zumindest teilweise über einen an der Ausgangswelle angreifenden Generator elektrisch mit einem Stromnetz gekoppelt. Dadurch kann für die Fördereinrichtung und/oder für die Pumpe nicht benötigte überschüssige elektrische Energie dem externen Stromnetz zugeführt und vergütet werden.Particularly preferably, the mechanical energy that can be tapped off at the output shaft of the Roots blower is at least partially electrically coupled to a power supply system via a generator acting on the output shaft. As a result, excess electrical energy that is not required for the delivery device and / or for the pump can be fed to the external power grid and remunerated.

Insbesondere ist über einen Generator zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie eine wiederaufladbare Batterie an der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses angekoppelt. Der Generator kann die an einer Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses ausgeleitete mechanische Energie ganz oder teilweise in elektrische Energie wandeln und in der wiederaufladbaren Batterie speichern. An der wiederaufladbaren Batterie können elektrische Verbraucher angeschlossen sein, die dadurch ohne eine Verbindung zu einem externen Stromnetz betrieben werden können. Vorzugsweise ist die Fördereinrichtung und/oder die Pumpe an der wiederaufladbaren Batterie angeschlossen, so dass die Fördereinrichtung und/oder die Pumpe auch ohne Anschluss an einem externen Stromnetz betrieben werden können.In particular, a rechargeable battery is coupled to the output shaft of the Roots blower via a generator for converting mechanical energy into electrical energy. The generator can completely or partially convert the mechanical energy diverted from an output shaft of the Roots blower into electrical energy and store it in the rechargeable battery. Electrical loads can be connected to the rechargeable battery, which can then be operated without a connection to an external power grid. The delivery device and / or the pump is preferably connected to the rechargeable battery, so that the delivery device and / or the pump can also be operated without being connected to an external power supply.

Vorzugsweise ist die Fördereinrichtung und/oder die Pumpe mechanisch mit der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses gekoppelt. Insbesondere ist zwischen der Fördereinrichtung und/oder der Pumpe einerseits und der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses andererseits ein Getriebe zur Drehzahlwandlung und/oder eine Trennkupplung und/oder ein, vorzugsweise schaltbarer, Freilauf vorgesehen. Die Fördereinrichtung und/oder die Pumpe können dadurch von dem Wälzkolbengebläse angetrieben werden, ohne dass hierzu ein Energieeintrag aus einem externen Stromnetz erforderlich ist.The conveying device and / or the pump is preferably mechanically coupled to the output shaft of the Roots blower. In particular, a gear for speed conversion and / or a separating clutch and / or a preferably switchable freewheel is provided between the conveyor and / or the pump on the one hand and the output shaft of the Roots blower on the other hand. The conveying device and / or the pump can thereby be driven by the Roots blower without the need for an input of energy from an external power supply.

Insbesondere ist die Fördereinrichtung und/oder die Pumpe unter Umgehung eines externen Stromnetzes elektrisch über eine interne Stromversorgung mit einem an der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses angreifenden Generator gekoppelt. Wenn die an dem Wellenausgang des Wälzkolbengebläse vorliegende mechanische Energie, insbesondere mit Hilfe einer als Generator ausgestalteten und/oder betriebenen elektrischen Maschine, in elektrische Energie umgewandelt wird, kann die von dem Generator erzeugte elektrische Energie, insbesondere über eine Leistungsschaltung, im Wesentlichen direkt und unmittelbar der Fördereinrichtung und/oder der Pumpe zugeführt werden. Leistungsverluste, insbesondere über ohmsche Widerstände des externen Stromnetzes, können dadurch vermieden werden, so dass sich im Vergleich zu einer Einspeisung der elektrischen Energie des Generators in das Stromnetz und einen Betrieb der Fördereinrichtung beziehungsweise der Pumpe mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz ein besserer Wirkungsgrad ergibt. Insbesondere ist ein mit dem Wälzkolbengebläse gekoppelter Generator über eine, insbesondere möglichst kurze, Stromleitung gegebenenfalls über eine zwischengeschaltete Leistungselektronik zur Anpassung der eingespeisten elektrischen Energie an die elektrischen Anforderungen der Fördereinrichtung beziehungsweise der Pumpe an der Fördereinrichtung und/oder an der Pumpe elektrisch angeschlossen. Der elektrische Betrieb der Fördereinrichtung und/oder der Pumpe kann über die an dem Wälzkolbengebläse und dem mit dem Wälzkolbengebläse gekoppelten Generator beginnende interne Stromversorgung erfolgen, so dass ein externes Stromnetz, an dem auch andere elektrischen Verbraucher angeschlossen sind, nicht benötigt wird und vermieden werden kann. Vorzugsweise weist die von dem mit dem Wälzkolbengebläse gekoppelten Generator zu der Fördereinrichtung und/oder zu der Pumpe verlaufende interne Stromversorgung als einzigen elektrischen Verbraucher ausschließlich die Fördereinrichtung und/oder die Pumpe auf.In particular, the delivery device and / or the pump is electrically coupled via an internal power supply to a generator acting on the output shaft of the Roots blower, bypassing an external power supply. If the mechanical energy present at the shaft output of the Roots blower is converted into electrical energy, in particular with the help of an electrical machine designed and / or operated as a generator, the electrical energy generated by the generator can be essentially directly and immediately the conveyor and / or the pump are supplied. Power losses, in particular through ohmic resistances of the external power grid, can be avoided, so that there is a better degree of efficiency compared to feeding the electrical energy of the generator into the power grid and operating the delivery device or the pump with electrical energy from the power grid. In particular, a generator coupled to the Roots blower is electrically connected to the conveyor and / or to the pump via a power line, in particular as short as possible, if necessary via interconnected power electronics to adapt the electrical energy fed in to the electrical requirements of the conveyor or the pump. The electrical operation of the delivery device and / or the pump can take place via the internal power supply beginning at the Roots blower and the generator coupled to the Roots blower, so that an external power supply Power grid, to which other electrical consumers are also connected, is not required and can be avoided. The internal power supply running from the generator coupled to the Roots blower to the delivery device and / or to the pump preferably has the delivery device and / or the pump as the only electrical consumer.

Besonders bevorzugt ist ein Förderregler zur Regelung einer Förderleistung der Fördereinrichtung in Abhängigkeit von dem aktuellen Erzeugungsistdruck vorgesehen. Eine Regelung der Förderleistung der Fördereinrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen Erzeugungsistdruck ist hierbei ausreichend und einfach umzusetzen. Über die Förderleistung der Fördereinrichtung kann die der Verbrennung zugeführte Brennstoffmenge beeinflusst werden, so dass der Energieeintrag in den Dampfkessel in Folge der bei der Verbrennung entstehenden Verbrennungswärme beeinflusst werden kann.Particularly preferably, a delivery regulator is provided for regulating a delivery rate of the delivery device as a function of the current actual generation pressure. A regulation of the delivery rate of the delivery device as a function of the measured actual generation pressure is sufficient and easy to implement. The amount of fuel fed to the combustion can be influenced via the delivery rate of the delivery device, so that the energy input into the steam boiler can be influenced as a result of the combustion heat generated during the combustion.

Insbesondere ist ein Drehzahlregler zur Regelung einer Drehzahl der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses vorgesehen. Dadurch lässt sich die Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe eines Generators weiter optimieren, so dass der Generator bei einem möglichst hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Um die Drehzahl der Ausgangswelle auf einer optimalen Drehzahl im Wesentlichen konstant zu halten, kann beispielsweise eine an dem Wälzkolbengebläse vorbei geführte Bypassleitung vorgesehen sein, über die ein Teil des Volumenstroms des Dampfes abgeleitet werden kann, um eine zu hohe Drehzahl an der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses zu vermeiden. Der über die Bypassleitung abgeleitete Volumenstrom kann stromabwärts zum Drehkolbengebläse wieder zugemischt werden, so dass der Dampf einen möglichst hohen Energieinhalt aufweisen kann. Erforderlichenfalls kann die Bypassleitung über ein Druckreduzierventil stromabwärts zum Drehkolbengebläse angeschlossen sein, um möglichst exakt den Sollbetriebsdruck vorliegen zu haben.In particular, a speed controller is provided for regulating a speed of the output shaft of the Roots blower. As a result, the conversion of mechanical energy into electrical energy can be further optimized with the aid of a generator, so that the generator can be operated with the highest possible efficiency. In order to keep the speed of the output shaft essentially constant at an optimal speed, a bypass line can be provided, for example, which passes the Roots blower and via which part of the volume flow of the steam can be diverted in order to cause too high a speed on the output shaft of the Roots blower avoid. The volume flow diverted via the bypass line can be mixed in again downstream of the rotary piston blower so that the steam can have the highest possible energy content. If necessary, the bypass line can be connected downstream of the rotary piston blower via a pressure reducing valve in order to have the target operating pressure as precisely as possible.

Vorzugsweise weist das Wälzkolbengebläse eine für den Erzeugungsistdruck ausgelegte Dichteinrichtung zum Abdichten der Ausgangswelle gegenüber einem Gehäuse des Wälzkolbengebläses auf. Mit Hilfe der Dichteinrichtung kann ein aus einem Gehäuse des Wälzkolbengebläses austretendes Wellenende der Ausgangswelle, die mit einer Welle eines der Wälzkolben identisch sein kann, abgedichtet sein. Die Dichteinrichtung kann insbesondere als mehrstufige Dichtung ausgestaltet sein, bei der zwei oder mehr Dichtelemente in axialer Richtung hintereinander vorgesehen sind, die auf unterschiedlichen Druckniveaus abdichten, so dass jedes Dichtelement gegen eine vergleichsweise geringe und/oder im Wesentlichen jeweils gleich große Druckdifferenz abdichtet.The Roots blower preferably has a sealing device designed for the actual generation pressure for sealing the output shaft from a housing of the Roots blower. With the aid of the sealing device, a shaft end of the output shaft which emerges from a housing of the Roots blower and which can be identical to a shaft of one of the Roots pistons can be sealed. The sealing device can in particular be designed as a multi-stage seal in which two or more sealing elements are provided one behind the other in the axial direction, which seal at different pressure levels, so that each sealing element seals against a comparatively small and / or essentially the same pressure difference.

Besonders bevorzugt ist nur das Wellenende der Ausgangswelle, die insbesondere gleichzeitig eine Welle eines der Wälzkolben ist, aus dem Gehäuse des Wälzkolbengebläses herausgeführt. Die übrigen Wellenenden der Wellen der Wälzkolben können innerhalb des Gehäuses des Wälzkolbengebläses angeordnet und gelagert sein. Insbesondere weist das Gehäuse des Wälzkolbengebläses zwei miteinander über eine Hochdruckdichtung miteinander verbundene Gehäusehälften auf. Das Gehäuse weist insbesondere nur einen Einlass, einen Auslass und genau eine Wellendurchführung für ein Wellenende der Ausgangswelle als Durchführungen durch das Gehäuse auf.Particularly preferably, only the shaft end of the output shaft, which is in particular at the same time a shaft of one of the Roots pistons, is led out of the housing of the Roots blower. The remaining shaft ends of the shafts of the Roots can be arranged and supported within the housing of the Roots blower. In particular, the housing of the Roots blower has two housing halves connected to one another via a high-pressure seal. In particular, the housing has only one inlet, one outlet and precisely one shaft bushing for one shaft end of the output shaft as bushings through the housing.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines Wälzkolbengebläses als Druckreduzierventil zur Reduzierung eines auf einem Erzeugungsistdruck erzeugten Dampfes auf einen Sollbetriebsdruck für einen Druckverbraucher, der insbesondere Teil einer Industrieanlage ist, unter gleichzeitiger Erzeugung von mechanischer Energie und/oder elektrischer Energie aus der thermischen Energie des zugeführten Dampfes und internen Nutzung der erzeugten Energie bei der Erzeugung des Dampfes. Anstatt in einem herkömmlichen Druckreduzierventil zur Reduzierung des Erzeugungsistdruck auf den Sollbetriebsdruck Exergie des Dampfes zu vernichten, wird die ansonsten vernichtete Exergie durch das das herkömmliche Druckreduzierventil ersetzende Wälzkolbengebläse in höherwertige nutzbare Energie umgewandelt. Das Wälzkolbengebläse kann insbesondere in dem vorstehend beschrieben Verfahren und/oder in dem vorstehend beschriebenen Dampferzeuger verwendet werden. Vorzugsweise kann die Verwendung des Wälzkolbengebläses wie anhand des vorstehend beschrieben Verfahrens und/oder anhand des vorstehend beschriebenen Dampferzeugers erläutert aus- und weitergebildet sein. Durch die effiziente Umwandlung von zusätzlicher Wärmeenergie in höherwertige Energieformen durch das Wälzkolbengebläse kann die Nutzung teurer externer höherwertiger Energie reduziert und/oder durch eine Einspeisung in ein Stromnetz eine Kostenkompensation erreicht werden, so dass eine kostengünstige Erzeugung eines technisch nutzbaren Dampfes ermöglicht ist.Another aspect of the invention relates to the use of a Roots blower as a pressure reducing valve to reduce a steam generated at an actual generation pressure to a target operating pressure for a pressure consumer, which is in particular part of an industrial plant, with the simultaneous generation of mechanical energy and / or electrical energy from the thermal energy of the supplied steam and internal use of the generated energy in the generation of the steam. Instead of destroying the exergy of the steam in a conventional pressure reducing valve to reduce the actual generation pressure to the set operating pressure, the otherwise destroyed exergy is converted into useful energy by the Roots blower replacing the conventional pressure reducing valve. The Roots blower can in particular in the method described above and / or in the steam generator described above. The use of the Roots blower can preferably be designed and developed as explained with the aid of the method described above and / or with the aid of the steam generator described above. Thanks to the efficient conversion of additional thermal energy into higher-value forms of energy by the Roots blower, the use of expensive external higher-value energy can be reduced and / or cost compensation can be achieved by feeding it into a power grid, so that a cost-effective generation of technically usable steam is possible.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
Fig. 1: eine schematische Prinzipdarstellung eines Dampferzeugers.In the following, the invention is explained by way of example with reference to the attached drawing using a preferred exemplary embodiment, wherein the features shown below can represent an aspect of the invention both individually and in combination. It shows:
Fig. 1 : a schematic representation of the principle of a steam generator.

Der in Fig. 1 dargestellte Dampferzeuger 10 kann zur Dampferzeugung für eine Industrieanlage verwendet werden. Der Dampferzeuger 10 weist einen Verbrenner 12 auf, in dem ein von einer Fördereinrichtung 14 geförderter Brennstoff, beispielsweise Erdgas, verbrannt werden kann. Mit Hilfe des in dem Verbrenner 12 verbrannten Brennstoffs kann ein Dampfkessel 16 erhitzt werden, in dem ein von einer Pumpe 18 gefördertes Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, zugeführt wurde. Das vorzugsweise, insbesondere bis an den Siedepunkt, vorgewärmte Arbeitsmedium wird in dem Dampfkessel 16 verdampft und liegt am Ausgang des Dampfkessels 16 auf einem Erzeugungsistdruck vor, der beispielsweise mit Hilfe eines am Ausgang des Dampfkessels 16 vorgesehenen, insbesondere einstellbaren und/oder regelbaren, Druckventil vorgegeben werden kann. Beispielsweise wird der Erzeugungsistdruck und/oder ein Volumenstrom und/oder eine Temperatur des Dampfes gemessen und einem Förderregler 20 zugeführt, um die dem Verbrenner 12 zuzuführende Brennstoffmenge zu regeln, so dass der Dampf auf einem genau definierten Energiezustand vorliegen kann.The in Fig. 1 illustrated steam generator 10 can be used to generate steam for an industrial plant. The steam generator 10 has a burner 12 in which a fuel conveyed by a conveying device 14, for example natural gas, can be burned. With the aid of the fuel burned in the burner 12, a steam boiler 16 can be heated, in which a working medium conveyed by a pump 18, for example water, has been supplied. The working medium, which is preferably preheated to the boiling point, is evaporated in the steam boiler 16 and is at an actual generation pressure at the outlet of the steam boiler 16, which is specified, for example, with the aid of a pressure valve provided at the outlet of the steam boiler 16, in particular adjustable and / or controllable can be. For example, the actual generation pressure and / or a volume flow and / or a temperature of the steam is measured and fed to a delivery regulator 20 in order to feed the fuel to the burner 12 To regulate the amount of fuel so that the steam can be present at a precisely defined energy state.

Von dem Dampfkessel 16 aus wird der Dampf einem Wälzkolbengebläse 22 zugeführt, wo der Dampf um eine vergleichsweise geringe Druckdifferenz Δp von beispielsweise 1,5 bar oder weniger auf einen Sollbetriebsdruck entspannt wird. Genau mit diesem Sollbetriebsdruck, der beispielsweise 8 bar beträgt, sollen in einer Industrieanlage Druckverbraucher 24 beaufschlagt werden. Das Wälzkolbengebläse 22 kann hierbei mit einem sehr hohen Wirkungsgrad über eine Ausgangswelle 26 ausleitbare mechanische Energie erzeugen, die beispielsweise mit Hilfe eines Generators 28 in elektrische Energie gewandelt und einem externen Stromnetz 30 zugeführt werden kann. Es ist auch möglich zumindest einen Teil der elektrischen Energie in einer wiederaufladbaren Batterie 32 zu speichern, mit deren Hilfe die Fördereinrichtung 14 und/oder die Pumpe 18 elektrisch angetrieben werden können, so dass die Fördereinrichtung 14 und/oder die Pumpe 18 ohne Verbindung zum externen Stromnetz 30 unabhängig betrieben werden können. Zusätzlich oder alternativ kann die Ausgangswelle 26 des Wälzkolbengebläses 22 mechanisch mit der die Fördereinrichtung 14 und/oder mit der Pumpe 18 gekoppelt sein, wobei hierbei insbesondere jeweils eine Koppeleinrichtung 34 zwischengeschaltet sein kann. Die Koppeleinrichtung 34 kann beispielsweise ein Getriebe zur Drehzahlwandlung und/oder eine Trennkupplung und/oder einen, insbesondere schaltbaren, Freilauf aufweisen. Im Vergleich zu einem Druckreduzierventil wird bei dem Wälzkolbengebläse 22 nicht Exergie vernichtet, sondern in höherwertige Energieformen umgewandelt und zur Verringerung des Energiebedarfs des Dampferzeugers 10 genutzt, um den niedrigeren Sollbetriebsdruck einzustellen.From the steam boiler 16, the steam is fed to a Roots blower 22, where the steam is expanded to a set operating pressure by a comparatively small pressure difference Δp of, for example, 1.5 bar or less. It is precisely with this nominal operating pressure, which is 8 bar, for example, that pressure consumers 24 should be acted upon in an industrial plant. The Roots blower 22 can generate mechanical energy which can be diverted via an output shaft 26 with a very high degree of efficiency and which can be converted into electrical energy, for example with the aid of a generator 28, and fed to an external power network 30. It is also possible to store at least part of the electrical energy in a rechargeable battery 32, with the help of which the delivery device 14 and / or the pump 18 can be electrically driven, so that the delivery device 14 and / or the pump 18 without connection to the external Power grid 30 can be operated independently. Additionally or alternatively, the output shaft 26 of the Roots blower 22 can be mechanically coupled to the conveying device 14 and / or to the pump 18, in which case a coupling device 34 can be interposed in each case. The coupling device 34 can, for example, have a transmission for speed conversion and / or a separating clutch and / or a, in particular switchable, freewheel. Compared to a pressure reducing valve, the Roots blower 22 does not destroy exergy, but converts it into higher-value forms of energy and uses it to reduce the energy requirement of the steam generator 10 in order to set the lower setpoint operating pressure.

In einem konservativ gerechneten Rechenbeispiel wird von einem Sollbetriebsdruck von 8 bar ausgegangen. Für den Erzeugungsistdruck werden 9,5 bar vorgegeben, was zu einer von dem für ein Druckniveau von 10 bar ertüchtigten Wälzkolbengebläse 22 sehr gut zu bewältigenden Druckdifferenz Δp von 1,5 bar führt. Durch den auf 9,5 bar erhöhten Druck am Ausgang des Dampfkessels 12 hat sich die Siedetemperatur des als Arbeitsmedium verwendeten Wassers um ca. 7 K erhöht. Eine Absenkung des Wirkungsgrads des Dampfkessels 16 infolge erhöhter Abgasverluste und Wärmeverluste über die Kesseloberfläche bei der erhöhten Temperatur kann bei einer derartig geringen Druck- und Temperaturerhöhung im Wesentlichen vernachlässigt werden und würde allenfalls in der Größenordnung von -0,4% liegen. Um am Dampfkessel 16 anstelle von 8 bar die 9,5 bar zu erreichen, ist bei einem Massenstrom des Arbeitsmediums von 4 t/h somit eine zusätzliche thermische Leistung von 29 kW erforderlich, die durch eine entsprechend erhöhte Menge von verbranntem Brennstoff in dem Verbrenner 12 leicht erreicht werden kann. Wenn der Dampf in dem Wälzkolbengebläse 22 von 9,5 bar auf 8 bar entspannt wird, lässt sich bei einem Wirkungsgrad des Generators 28 von ca. 80% eine elektrische Nutzleistung von mindestens ca. 14,5 kW erreichen. Dies entspricht im Wesentlichen dem elektrischen Energiebedarf der Fördereinrichtung 14, der in der Regel unter 14 kW liegt. Im tatsächlichen Betrieb ist eine deutlich höhere elektrische Nutzleistung zu erwarten. Zudem ist die mechanische Leistung des Wälzkolbengebläses 22 vor der Konvertierung in elektrische Leistung deutlich höher, so dass nach dem Betrieb der Fördereinrichtung 14 noch genug Energie übrig bleibt, um die wiederaufladbare Batterie 32 zu speisen, die Pumpe 18 anzutreiben und/oder elektrische Nutzleistung in das externe Stromnetz 30 einzuspeisen. Darüber hinaus hat sich durch die zusätzliche Verbrennung die Dampfleistung um ca. 10,3 kWth erhöht, die in den Druckverbrauchern 24 zusätzlich genutzt werden kann.In a conservatively calculated calculation example, a target operating pressure of 8 bar is assumed. 9.5 bar is specified for the actual generation pressure, which leads to a pressure difference Δp of 1.5 bar which can be handled very well by the Roots blower 22, which is upgraded for a pressure level of 10 bar. Due to the increased pressure of 9.5 bar at the outlet of the Steam boiler 12, the boiling temperature of the water used as the working medium has increased by approx. 7 K. A reduction in the efficiency of the steam boiler 16 as a result of increased exhaust gas losses and heat losses via the boiler surface at the increased temperature can essentially be neglected with such a small increase in pressure and temperature and would at most be in the order of magnitude of -0.4%. In order to achieve 9.5 bar at the steam boiler 16 instead of 8 bar, with a mass flow of the working medium of 4 t / h an additional thermal output of 29 kW is required, which is achieved by a correspondingly increased amount of burned fuel in the burner 12 can be easily achieved. If the steam in the Roots blower 22 is expanded from 9.5 bar to 8 bar, an electrical power output of at least about 14.5 kW can be achieved with an efficiency of the generator 28 of about 80%. This essentially corresponds to the electrical energy requirement of the delivery device 14, which is generally less than 14 kW. In actual operation, a significantly higher useful electrical power can be expected. In addition, the mechanical power of the Roots blower 22 is significantly higher before the conversion into electrical power, so that after the operation of the conveying device 14 there is still enough energy left to feed the rechargeable battery 32, to drive the pump 18 and / or electrical power to the feed external power grid 30. In addition, the additional combustion has increased the steam output by approx. 10.3 kWth, which can also be used in the pressure consumers 24.

Claims

Process for generating steam in which
a fuel is fed to a burner (12) for generating heat with the aid of a conveying device (14),
with the aid of the heat generated in the burner (12), steam is generated at an actual generation pressure, the actual generation pressure being a pressure difference Δp greater than a setpoint operating pressure provided for technical use of the steam, and
the steam is expanded to the target operating pressure with the aid of a Roots blower (22) that generates mechanical energy and / or electrical energy from the thermal energy of the steam,
wherein the energy generated in the Roots blower (22) for the complete or partial operation of the conveyor (14) is fed mechanically and / or electrically to the conveyor (14).

Method according to Claim 1, in which the energy is supplied from the Roots blower (22) to the conveying device (14) by bypassing an external power network, in particular essentially directly and / or immediately.

Method according to Claim 1 or 2, in which a vaporizable working medium is pumped into a steam boiler (16) heated by the burner (12) with the aid of a pump (18), the energy generated in the Roots blower (22) for full or partial operation the pump (18) is fed mechanically and / or electrically to the pump (18).

Method according to one of Claims 1 to 3, in which at least part of the energy generated in the Roots blower (22) is fed into a power grid (30).

Method according to one of Claims 1 to 4, in which, at least after a start-up phase in order to achieve a regular operating state, the steam generation is operated exclusively purely thermally through the combustion of the fuel.

Method according to one of Claims 1 to 5, in which the delivery rate of the delivery device (14) is set such that the pressure difference Δp 0.1 bar Δp 2.5 bar, in particular 0.3 bar Δp Δ 1.5 bar and is preferably 0.5 bar Δp 1.0 bar.

Method according to one of Claims 1 to 6, in which the target operating pressure ps ps 1.2 bar, in particular 2.0 bar p _S 100 bar, preferably 5.0 bar p _S 50 bar, more preferably 7.0 bar p _S 30 bar and particularly preferably 9.0 bar p _S 15 bar.

Method according to one of Claims 1 to 7, in which the Roots blower (22) at an efficiency η for a ratio of the thermal energy additionally generated during combustion for the pressure increase of Δp and that at an output shaft of the Roots blower (22) from a generator ( 28) mechanical energy of 0.75 η 1.0, in particular 0.80 η 0.99, preferably 0.90 η 0.98 and particularly preferably 0.95 η 0.97 becomes.

Steam generator for carrying out the method according to one of Claims 1 to 8
a steam boiler (16) for evaporating an evaporable working medium at an actual generation pressure,
a burner (12) for heating the working medium in the steam boiler (16) by burning fuel,
a conveying device (14) for conveying the fuel into the burner (12),
a pump (18) for conveying the working medium into the steam boiler (16), a Roots blower (22) connected to the steam boiler (16) for expanding the steam supplied essentially at the actual generation pressure to a set operating pressure lower by a pressure difference Δp to the actual generation pressure and
a pressure consumer provided downstream of the Roots blower (22), in particular a heat engine and / or heater, for the technical use of the steam, which is essentially supplied to the target operating pressure, while reducing the pressure and / or the temperature of the steam,
mechanical energy that can be tapped off at an output shaft of the Roots blower (22) is at least partially mechanically and / or electrically coupled to the conveying device (14) and / or to the pump (18).

Steam generator according to Claim 9, characterized in that the mechanical energy that can be tapped off at the output shaft of the Roots blower (22) is at least partially electrically coupled to a power supply system (30) via a generator (28) acting on the output shaft.

Steam generator according to Claim 9 or 10, characterized in that a rechargeable battery (32) is coupled to the output shaft of the Roots blower (22) via a generator (28) for converting mechanical energy into electrical energy.

Steam generator according to one of Claims 9 to 11, characterized in that the conveying device (14) and / or the pump (18) is mechanically coupled to the output shaft of the Roots blower.

Steam generator according to one of claims 9 to 12, characterized in that the conveying device (14) and / or the pump (18) bypassing an external Power network is electrically coupled via an internal power supply to a generator (28) acting on the output shaft of the Roots blower (22).

Steam generator according to one of Claims 9 to 13, characterized in that only one shaft end of the output shaft extends out of a housing of the Roots blower (22).

Use of a Roots blower (22) as a pressure reducing valve to reduce a steam generated at an actual generation pressure to a target operating pressure for a pressure consumer, which is in particular part of an industrial plant, with simultaneous generation of mechanical energy and / or electrical energy from the thermal energy of the supplied steam and internal Use of the energy generated to generate the steam.