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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Gattung.
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Bei
einer bekannten Vorrichtung dieser Art (
DE 42 16 278 A1 ) ist der
Vorwärmabschnitt
auf der Austrittsseite und der Überhitzungsabschnitt
auf der Eintrittsseite der von einer Wärmequelle aus zuströmenden Heißgase angeordnet.
Beide Abschnitte sind aus konisch gewickelten Rohren hergestellt.
Ein Verdampfungsabschnitt ist als ein beide Abschnitte koaxial umgebender
Strömungskanalabschnitt
ausgebildet, der entweder aus einer schraubenlinienförmig gewickelten
Rohrleitung oder einer zweischalig aufgebauten Wand eines zylindrischen
Gehäuses besteht.
Vorrichtungen dieser Art dienen zur Erzeugung großer Mengen
von Wasserdampf unter hohem Druck und bei im wesentlichen konstanten
Betriebsbedingungen, beispielsweise für die Gewinnung von elektrischer
Energie.
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Demgegenüber betrifft
die vorliegende Erfindung Vorrichtungen zur Dampferzeugung für Kleinstkraftwerke,
insbesondere in Verbindung mit elektromechanischen Wandlern für Kraft/Wärme-Kopplungen
zur anteiligen Erzeugung von elektrischer Energie aus z. B. Ölöfen, Gasthermen,
Biomasseheizanlagen (Pellets oder Holzbrennöfen) aufweisenden Wärmequellen
im Bereich von Gebäudeheizungen. Bevorzugt
werden hierbei elektromechanische Wandler verwendet, die mit einem
frei schwingenden Kolben, einem sog. Freikolben, und einer fest
mit diesem gekoppelten Ankerspule arbeiten (z. B.
DE 102 09 858 B4 ). Für Anwendungen
dieser Art ist die oben beschriebene, bekannte Vorrichtung weniger
gut geeignet. Grund hierfür
ist einerseits ihr vergleichsweise komplizierter Aufbau. Andererseits
werden für
die genannten Anwendungen Vorrichtungen benötigt, die über eine lange Lebensdauer
hinweg weitgehend wartungsfrei betrieben und leicht an unterschiedliche Verhältnisse,
insbesondere unterschiedliche Leistungen angepasst werden können, mit
denen die genannten Wärmequellen
in Abhängigkeit
vom jeweiligen Bedarf betrieben werden.
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Kritisch
ist in diesem Zusammenhang zum einen der Verdampfungsabschnitt der
Vorrichtung, in dem der Übergang
vom flüssigen
Zustand in den dampfförmigen
Zustand des Arbeitsmediums stattfindet. An der Innenwand dieses
Verdampfungsabschnitts bilden sich bei Anwendung üblicher
Materialien häufig
unerwünschte
Ablagerungen, die bei Temperaturwechseln abplatzen können und
dann den Betrieb des mit dem Dampf betriebenen elektromechanischen
Wandlers beeinträchtigen,
indem sie z. B. dessen Kolbenringe, Zylinder od. dgl. beschädigen. Zum
anderen sollte sichergestellt werden, dass an keiner Stelle des
Strömungskanals
eine Maximaltemperatur von z. B. 550 °C überschritten wird, um eine
Verzunderung des Strömungskanals
zu vermeiden und seine Standzeit zu vergrößern.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei der Vorrichtung
der eingangs bezeichneten Gattung die Voraussetzungen dafür zu schaffen, dass
sie bei den genannten Anwendungen auch dann wartungsarm und dennoch
betriebssicher arbeitet, wenn sie in Abhängigkeit vom Bedarf mit unterschiedlichen
Leistungen betrieben wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1.
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Die
Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass derjenige Abschnitt
des Strömungskanals, nämlich der
Verdampfungsabschnitt, der jeweiligen Wärmequelle am nächsten und
damit an einer Stelle liegt, wo die meiste Wärmeenergie benötigt wird
bzw. wo von dem den Strömungskanal
durchströmenden Arbeitsmedium
die meiste Energie aufgenommen wird. Dagegen ist der Überhitzungsbereich,
in dem der bereits trockene Dampf lediglich stärker erhitzt wird, weiter von
der Wärmequelle
entfernt. Er befindet sich daher zwar auf einem etwas kühleren Temperaturniveau,
doch reicht dieses aus, um den Dampf auf seine gewünschte Endtemperatur
zu bringen. Dadurch kann einerseits erreicht werden, dass der Verdampfungsabschnitt
unter keinen Umständen
auf eine Temperatur von mehr als z. B. 550 °C erhitzt wird. Andererseits
kann die Vorrichtung bei zahlreichen unterschiedlichen Leistungsstufen
der Wärmequelle
betrieben werden, wie weiter unten näher erläutert ist. Schließlich kann,
falls sich dies als erforderlich erweisen sollte, die Ablagerung
schädlicher Substanzen
im Verdampfungsabschnitt dadurch vermieden werden, dass dieser zumindest
auf seiner Innenseite aus einem Material wie z.B. Eisen hergestellt
wird, das dagegen weitgehend resitent ist.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 einen
schematischen Schnitt längs der
Linie II-II der 1;
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3 eine
schematische Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 und 5 je
ein Temperatur/Enthalpie- und Enthalpie/-Entropie-Diagramm für den der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zugrunde liegenden Clausius-Rankine-Prozess;
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6 den
inneren und äußeren Temperaturverlauf
längs des
Strömungskanals
der Vorrichtung nach 1;
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7 den
inneren und äußeren Temperaturverlauf
der Vorrichtung nach 1 in radialer Richtung; und
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8 und 9 schematisch
zwei weitere Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 und
2 zeigen
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Überführung eines Arbeitsmediums,
vorzugsweise Wasser, von einem flüssigen Zustand in einen dampfförmigen Zustand,
insbesondere in überhitztem
Dampf. Das Arbeitsmedium wird z. B. dem Arbeitsraum eines elektromechanischen Wandlers
entnommen, der einen frei schwingenden, von einem dampfförmigen Medium
angetriebenen Arbeitskolben aufweist, der mit einer der elektrischen Energieerzeugung
dienenden Ankerspule fest verbunden ist. Das entnommene Arbeitsmedium
wird unter Druckerhöhung
auf z. B. 20 bar bis 50 bar in eine Verdampfungsvorrichtung gepumpt,
in der sich ein Brenner befindet, um das zugeführte Arbeitsmedium in Wasserdampf
umzuwandeln und dann einem zum Antrieb des Freikolbens bestimmten
Zylinder zuzuführen.
Anschließend
wird der Dampf wieder in den Arbeitsraum des elektromechanischen
Wandlers überführt, wo
er kondensiert und danach erneut der Verdampfungsvorrichtung zugeführt wird.
Anlagen dieser Art sind z. B. aus der Schrift
DE 102 09 858 B4 bekannt,
die insoweit zur Vermeidung von Wiederholungen durch Referenz auf
sie zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Verdampfen des Arbeitsmediums, nachfolgend kurz als Verdampfungsvorrichtung
oder Vorrichtung bezeichnet, ist in 1 und 2 dargestellt.
Sie enthält
als wesentliche Bestandteile einen Strömungskanal 1 und eine
Wärmequelle 2.
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Der
Strömungskanal 1 enthält wenigstens eine
Eintrittsöffnung 3 für das in
flüssigem
Zustand befindliche Arbeitsmedium und wenigstens eine Austrittsöffnung 4 für das in
den dampfförmigen
Zustand überführte Arbeitsmedium.
Dabei soll das Arbeitsmedium der Eintrittsöffnung 3 in flüssigem Zustand
z. B. mit einem Druck von 20 bis 50 bar, einer Strömungsgeschwindigkeit
von z. B. 100 ml/min und einer Temperatur von z. B. 100 °C zugeführt und
der Austrittsöffnung 4 in
dampfförmigem
Zustand z. B. mit einem geringfügig
geringeren, durch Druckverluste in der Verdampfungsvorrichtung bedingten
Druck und einer im wesentlichen unveränderten Strömungsgeschwindigkeit von 100
ml/min, jedoch mit einer Temperatur von z. B. 450 °C entnommen
werden.
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Die
Wärmequelle 2 besteht
in der Regel aus einem für
die Warmwassererzeugung in Gehäuden üblichen
Brenner, der mit Öl,
Gas, Biomasse (Pellets, Holz) od. dgl. gespeist wird. Die von der
Wärmequelle
abgegebene Wärmeenergie
in Form von Heißgasen
breitet sich in einer vorgewählten,
hier gleichförmig
radialen Richtung aus, wie im Ausführungsbeispiel durch radiale
Pfeile 5 angedeutet ist. Alternativ können als Wärmequelle 2 auch andere
Wärmeerzeuger,
z. B. Wärmestrahlung
abgebende Heizstrahler vorgesehen sein.
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Der
Strömungskanal 1 besitzt
nach 1 in räumlicher
Hinsicht eine Spiralform. An seine Eintrittsöffnung 3 schließt sich
zunächst
ein Vorwärmabschnitt 6 an,
der aus drei spiralförmig
verlaufenden Windungen besteht und von der Wärmequelle 2 den weitesten
Abstand hat. An das radial innen liegende Ende des Vorwärmabschnitts 6 schließen sich
bei ebenfalls spiralförmigem
Verlauf drei weitere Windungen des Strömungskanals 1 an,
wobei nachfolgend die erfindungsgemäß radial am weitesten innen
und der Wärmequelle 2 am
nächsten
liegende Windung als erster Verdampfungsabschnitt 7, die sich
daran anschließende
Windung als Überhitzungsabschnitt 8 und
die radial zwischen dem Überhitzungsabschnitt 8 und
dem Vorwärmabschnitt 6 liegende
Windung als zweiter Verdampfungsabschnitt 9 bezeichnet
wird. Dabei ist für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung beachtlich, dass die beschriebene Anordnung
nur in räumlicher
Hinsicht gilt. Im Hinblick auf das den Strömungskanal 1 durchströmende Arbeitsmedium
gilt dagegen, dass dieses bei der Eintrittsöffnung 3 zugeführt und
nach dem Durchströmen des
Vorwärmabschnitts 6 direkt
in den ersten Verdampfungsabschnitt 7 eingeleitet wird.
Dazu ist das radial innen liegende Ende des Vorwärmabschnitts 6 mittels
eines im wesentlichen radial angeordneten, kurzen Überleitungsabschnitts 10 mit
dem Anfang des ersten Verdampfungsabschnitts 7 verbunden. Vom
ersten Verdampfungsabschnitt 7 aus wird das Arbeitsmedium
dann direkt in den zweiten Verdampfungsabschnitt 9 eingeleitet,
dessen Anfang über
einen weiteren, im wesentlichen radial angeordneten, kurzen Überleitungsabschnitt 11 mit
dem Ende des ersten Verdampfungsabschnitts 7 verbunden
ist. An das Ende des zweiten Verdampfungsabschnitts 9 schließt sich
dann ohne Unterbrechung der Spiralform der Überhitzungsabschnitt 8 an,
dessen Ende mit der Austrittsöffnung 4 versehen
ist. Die daraus resultierenden Strömungsrichtungen sind jeweils
durch Pfeile angedeutet. Außerdem
zeigen 1 und 2, dass die Wärmequelle 2 bei
Anwendung eines spiralförmig
ausgebildeten Strömungskanals 1 zweckmäßig genau
in einem vom Strömungskanal 1 frei
bleibenden Zentrum und so angeordnet wird, dass die von ihr abgegebene
Wärmeenergie
gleichförmig
von innen nach außen
in der hier radialen Ausbreitungsrichtung strömen und dabei nacheinander mit
den verschiedenen Abschnitten 7, 8, 9 und 6 des Strömungskanals 1 in
Wechselwirkung treten, d. h. mit dem Arbeitsmedium Wärme austauschen
kann.
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Die
Vorrichtung nach 1 ist wahlweise aus Abschnitten
eines Hohlformkörpers
oder aus entsprechend geformten Rohrabschnitten aufgebaut, die in
Strömungsrichtung
durchlaufend und insbesondere an den Stoßstellen der Überleitungsabschnitte 10 und 11 durch
geeignete Verbindungseinrichtungen und/oder Schweißnähte miteinander
verbunden sind. Außerdem
sind zumindest im Fall von Rohrabschnitten vorzugsweise mehrere,
radial erstreckte Verbindungs- und Abstandseinrichtungen 12 (2)
vorhanden. Diese bestehen vorzugsweise aus kammartig ausgebildeten
Verbindungselementen mit Stegen 12a, die die einzelnen
Rohrabschnitte zwischen sich aufnehmen, deren Verschiebungen in radialer
Richtung verhindern und damit eine insgesamt stabile, spiralförmige Konstruktion
bilden, wie insbesondere 2 zeigt.
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Bei
dem aus 3 ersichtlichen Ausführungsbeispiel
sind sowohl die räumlichen
Anordnungen als auch die strömungsmäßen Verbindungen
der einzelnen Abschnitte eines Strömungskanals 14 analog
zu denen des Strömungskanals 1.
Unterschiedlich ist hier lediglich, dass die verschiedenen Abschnitte
aus mäanderförmig verlegten
Windungen gebildet und linear hintereinander angeordnet sind. Die
vorgewählte
Ausbreitungsrichtung von Wärmeenergie,
die von einer nicht dargestellten Wärmequelle abgegeben wird, ist
hier durch einen Pfeil 15 angedeutet. Die Zahl der zusätzlich eingezeichneten Punkte
soll außerdem
die Höhe
der Temperatur andeuten, die aufgrund der Heißgase, Wärmestrahlung od. dgl. erzeugt
wird. Das Arbeitsmedium tritt an einer Eintrittsöffnung 16 in einen
von der Wärmequelle am
weitesten entfernten Vorwärmabschnitt 17 ein, der
durch einen zur Ausbreitungsrichtung der Wärmeenergie parallelen Überleitungsabschnitt 18 mit einem
der Wärmequelle
am nächsten liegenden,
ersten Verdampfungsabschnitt 19 verbunden ist. Von diesem
aus gelangt das Arbeitsmedium zunächst durch einen weiteren,
zur Ausbreitungsrichtung der Wärmeenergie
parallelen Überleitungsabschnitt 20 in einen
zweiten Verdampfungsabschnitt 21, dessen Ende mit einem Überhitzungsabschnitt 22 verbunden ist,
der wie in 1 räumlich zwischen den beiden Verdampfungsabschnitten 19 und 21 liegt,
strömungsmäßig aber
den letzten Abschnitt des Strömungskanals 14 bildet
und daher mit einer Austrittsöffnung 23 für den Dampf
versehen ist.
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Im übrigen können die
verschiedenen Abschnitte einzeln oder gesamt wie beim Ausführungsbeispiel
nach 1 und 2 aus Abschnitten von Hohlformkörpern oder
aus Rohrabschnitten bestehen, die durch kammartige oder sonstwie
ausgebildete Verbindungs- und Abstandseinrichtungen zu einer stabilen
Konstruktion zusammengesetzt sind. Außerdem unterliegt das Arbeitsmedium
im Bereich der Überleitungsabschnitte 18, 20 ähnlichen
Temperatursprüngen,
wie dies für
die Überleitungsabschnitte 10 und 11 in 1 gilt.
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Die
Wirkungsweise der anhand der 1 und 2 beschriebenen
Verdampfungsvorrichtung ist im wesentlichen wie folgt:
Die
Wärmequelle 2,
die Zuführgeschwindigkeit
des Arbeitsmediums und die Längen
und Querschnitte der verschiedenen Strömungskanalabschnitte werden
so festgelegt, dass das Arbeitsmedium, z. B. Wasser, der Eintrittsöffnung 3 z.
B. mit 20 bar, 100 ml/min und 100 °C zugeführt wird, den Vorwärmabschnitt 6 etwa
mit einer Temperatur von 160 °C
bis 170 °C
verlässt
und daher mit einer Temperatur in den ersten Verdampfungsabschnitt 7 eintritt,
die etwa der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums beim gewählten Druck
entspricht. Der Verdampfungsabschnitt 7 ist der größten Wärme (z.
B. 1000 °C)
der Wärmequelle
ausgesetzt. Da jedoch das Arbeitsmedium im Verdampfungsabschnitt 7 in
den dampfförmigen
Zustand übergeht,
nimmt es hier auch die meiste Wärmeenergie
auf, so dass seine Temperatur im wesentlichen konstant bleibt und
die Temperatur des Verdampfungsabschnitts 7 die gewünschte Höchsttemperatur
von z. B. 550 °C
nicht überschreitet.
Am Ende des Verdampfungsabschnitts 7 sollte sich das Arbeitsmedium
vollständig in
trockenem Dampf umgewandelt haben.
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Aus
dem ersten Verdampfungsabschnitt 7 gelangt der Dampf in
den zweiten Verdampfungsabschnitt 9, in dem er bei der
hier angenommenen Leistung der Wärmequelle 2 langsam
weiter erhitzt wird. Da in diesem Bereich die Temperatur in der
Umgebung des Strömungskanals 1 aufgrund
des relativ großen
räumlichen
radialen Abstands von der Wärmequelle 2 erheblich
reduziert ist und z. B. nur noch ca. 600 °C beträgt, besteht keine Gefahr der
Erwärmung
des Strömungskanals 1 über die
kritische Temperatur von z. B. 550 °C hinaus. Dasselbe gilt für den Überhitzungsabschnitt 8,
der der Wärmequelle 2 näher liegt
und daher den Dampf allmählich
in überhitzten
Dampf mit einer Temperatur von 450 °C bis 500 °C umwandelt. Auch in diesem
Bereich ist der Wärmeaustausch
zwischen dem den Strömungskanal 1 umgebenden
Medium und dem Arbeitsmedium ausreichend stark, um eine zu große Erwärmung des Überhitzungsabschnitts 8 zu
vermeiden. Der überhitzte
Dampf wird schließlich
an der Austrittsöffnung 4 abgenommen.
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Vorteilhaft
ist bei dieser Betriebsweise außerdem,
dass zur weiteren Erwärmung
des im ersten Verdampfungsabschnitt 7 gebildeten Dampfs
sowohl der zweite Verdampfungsabschnitt 9 als auch der Überhitzungsabschnitt 8 verwendet
werden können und
daher trotz der geringen Leistung der Wärmequelle 2 eine hohe
Dampftemperatur erreicht wird.
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Die
beschriebenen Verhältnisse
sind so gewählt,
dass sie sich z. B. bei kleinen Leistungen einer Wärmequelle
von ca. 8 kW ± 4
kW ergeben. Bei größeren Leistungen
der Wärmequelle 2 von
z. B. 14,5 kW ± 4
kW besteht daher insbesondere die Gefahr, dass der Verdampfungsabschnitt 7 trotz
sonst gleicher Verhältnisse
zu stark erwärmt
wird und daher durch Verzunderung und andere Effekte beschädigt werden
könnte.
Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, die Verhältnisse
ohne Änderung
der Abmessungen des Strömungskanals 1 jetzt
so zu wählen,
dass das Arbeitsmedium, hier Wasser, im ersten Verdampfungsabschnitt 7 noch
nicht verdampft, sondern lediglich bis auf seine Siedetemperatur
erhitzt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das Arbeitsmedium
an der Eintrittsöffnung 3 mit
einem entsprechend größeren und
insbesondere um so viel höheren
Massenstrom zugeführt
wird, dass am Ende des ersten Verdampfungsabschnitts 7 eine
Temperatur von ca. 160 °C
bis 170 °C
erreicht wird. Dadurch wird der erste Verdampfungsabschnitt 7 trotz
der erhöhten
Leistung der Wärmequelle 2 unter
Vermeidung von Zunderbildungen od. dgl. ausreichend kühl gehalten.
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Die
Verdampfung findet in diesem Fall hauptsächlich im zweiten Verdampfungsabschnitt 9 statt, der
bei erhöhter
Abgabe von Wärmeenergie
entsprechend wärmer
ist und zur Überführung des
Arbeitsmediums in Dampf ausreicht. Die Bildung von überhitztem
Dampf kann dann allein im Überhitzungsabschnitt 8 stattfinden.
Wegen der in diesem Fall höheren
Temperaturen im Umgebungsbereich des Überhitzungsabschnitts 8 ist
dies trotz der Tatsache möglich,
dass bei dieser Verfahrensweise für die Überhitzung des Dampfes nur
der vergleichsweise kurze Überhitzungsabschnitt 8 zur
Verfügung
steht.
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Dieselbe
Verfahrensweise ist möglich,
wenn eine Vorrichtung entsprechend 3 vorgesehen wird.
Auch hier können
die Verhältnisse
derart gewählt
werden, dass bei geringem Bedarf an Wärmeenergie und entsprechend
kleiner Leistung der Wärmequelle
der Übergang
vom flüssigen
in den dampfförmigen
Zustand überwiegend
im ersten Verdampfungsabschnitt 19 stattfindet, während bei
hohen geforderten Leistungen der Wärmequelle die Änderung des
flüssigen
Aggregatzustands in den dampfförmigen
Aggregatzustand überwiegend
im zweiten Verdampfungsabschnitt 21 erfolgt.
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Der
beschriebene Aufbau der Vorrichtung ermöglicht auch eine einfache Steuerung
im Sinne der oben erläuterten
Arbeitsweise. Hierzu wird gemäß 1 und 3 am
Ende des ersten Verdampfungsabschnitts 7, 19 oder
am Anfang des zweiten Verdampfungsabschnitts 9, 21 oder
auch dazwischen ein erster Temperatursensor 25 und am Ende
des zweiten Verdampfungsabschnitts 9, 19 oder
am Anfang des Überhitzungsabschnitts 8, 22 oder
dazwischen ein zweiter Temperatursensor 26 angebracht, wie
in 1 und 3 schematisch angedeutet ist. Beide
Temperatursensoren 25, 26 bestehen z. B. aus in
den Strömungskanal 1 bzw. 14 eingelassenen Thermoelementen,
messen daher die Temperatur des strömenden Arbeitsmediums und sind
in einem Regelkreis derart angeordnet, dass sie in Abhängigkeit
von der geforderten Leistung der Wärmequelle 2 wahlweise
aktiviert bzw. zugeschaltet werden können. Der Regelkreis dient
dem Zweck, den Massenstrom des Arbeitsmediums im Strömungskanal 1 zu regeln,
indem beispielsweise eine vorgeschaltete Pumpe entsprechend gesteuert
wird. Im übrigen
arbeitet der Regelkreis im wesentlichen wie folgt:
Ist die
Leistung der Wärmequelle 2 vergleichsweise gering,
dann wird der Sensor 25 zugeschaltet. Da in diesem Fall
die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums (z. B. 160 °C bis 170 °C) am Ort
des Sensors 25 nur geringfügig überschritten sein sollte, wird
die Transportgeschwindigkeit des Arbeitsmediums im Strömungskanal 1 so
geregelt, dass die vom Sensor 25 gemessene Ist-Temperatur
stets einem Sollwert entspricht, der z. B. um einige Grad größer als
ca. 160 °C
bis 170 °C
ist. Nimmt die geforderte Leistung der Wärmequelle 2 bei dieser
Betriebsweise geringfügig
zu oder ab, dann steigt oder fällt
die Temperatur am Ort des Sensors 25 entsprechend, z. B. aufgrund
einer zu früh
einsetzenden Temperaturerhöhung
des Dampfes bzw. einer noch nicht vollständig abgeschlossenen Dampfbildung.
Das erhaltene Sensorsignal wird dann dazu genutzt, den Massenstrom
des Arbeitsmediums entsprechend zu vergrößern oder zu verkleinern, damit
unabhängig
von der Leistung der Wärmequelle 2 am
Ort des Sensors 25 die Dampfbildung im wesentlichen abgeschlossen
ist und eine geringfügige Überhitzung
des Dampfs bereits begonnen hat.
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Steigt
die Wärmeabgabe
der Wärmequelle 2 sehr
stark an, z. B. auf eine Leistung von 14,5 kW ± 4 kW, dann ist zwar möglicherweise
durch eine entsprechende Steigerung des Massenstroms erreichbar,
dass die Dampfbildung wie bei der zuerst beschriebenen Verfahrensweise
an einer Stelle kurz vor dem Sensor 25 abgeschlossen ist.
Dagegen wird kaum vermeidbar sein, dass zumindest die Temperatur
des Überhitzungsabschnitts 8 aufgrund
der erhöhten
Wärmezufuhr
stark zunimmt und dieser Abschnitt 8 des Strömungskanals 1 dadurch
zerstört wird.
Erfindungsgemäß wird daher
ab einer bestimmten Leistung der Wärmequelle 2 die Regelvorrichtung auf
den zweiten Sensor 26 umgeschaltet. Dadurch wird der Massenstrom
des Arbeitsmediums jetzt so stark erhöht, dass die Verdampfung erst
am Ende des zweiten Verdampfungsabschnitts 9 bzw. 21 beendet
ist. Als Folge dessen findet die Überhitzung des Dampfs allein
in dem kurzen Überhitzungsabschnitt 8 bzw. 22 statt,
weshalb der Dampf ausreichend Wärme
aufnehmen kann und der Überhitzungsabschnitt 8, 22 unterhalb
der kritischen Temperatur von z. B. 550 °C bleibt.
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Ein
besonderer Vorteil der beschriebenen Regelung besteht darin, dass
etwaige Temperaturänderungen
am Ort der Sensoren 25, 26 sehr schnell eintreten.
Die Regelvorrichtung spricht daher entsprechend schnell auf etwaige Änderungen
an.
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Alternativ
zu den beschriebenen Maßnahmen
ist es möglich,
die Umschaltungen zwischen den Sensoren 25, 26 von
anderen Größen als
der Leistung der Wärmequelle 2 abhängig zu
machen, beispielsweise vom Dampfdruck in einem nachfolgenden Zylinder
eines elektromechanischen Wandlers.
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Im übrigen versteht
sich, dass durch Anwendung von weiteren, insbesondere zwischen den
Sensoren 25, 26 angeordneten Temperatursensoren
dafür gesorgt
werden kann, dass die eigentliche Verdampfungszone, d. h. die Zone,
in welcher der Wechsel des Aggregatzustandes stattfindet, innerhalb
des von den beiden Verdampfungsabschnitten 7 und 9 bzw. 19 und 21 eingenommenen
Bereichs des Strömungskanals 1 beliebig
verschoben werden kann. Diese Maßnahme hat sich als äußerst effektiv
erwiesen, um auch bei stark schwankenden Leistungen der Wärmequelle 2 einerseits
eine sichere Erzeugung von überhitztem
Dampf zu gewährleisten,
andererseits aber die Temperaturen insbesondere der der Wärmequelle 2 am
nächsten
liegenden Abschnitte 7, 8 bzw. 19, 22 des
Strömungskanals 1, 14 auf Werte
zu begrenzen, die an die Warmfestigkeit der verwendeten Materialien
angepasst sind und Beschädigungen
dieser Materialien sicher vermeiden, wodurch ein langer, wartungsfreier
Betrieb der Verdampfungsvorrichtung ermöglicht ist. Das gilt selbst dann,
wenn die von der Wärmequelle 2 erzeugten Temperaturen
dort, wo die genannten Strömungskanalabschnitte
angeordnet sind, wesentlich größer als die
genannten 550 °C
sind. Abgesehen davon bietet die Erfindung den Vorteil, dass die
Verdampfungsvorrichtung insbesondere dann, wenn die Wärmeenergie
beim Betrieb nur vergleichsweise geringen Schwankungen unterliegt
(z. B. 8 kW ± 4
kW), auch ohne die Regelvorrichtung angewendet werden kann, selbst
wenn die beschriebene Regelung auch in einem solchen Fall vorteilhaft
wäre.
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Wie
die Verhältnisse
im Einzelfall genau zu wählen
sind, wird vorzugsweise experimentell ermittelt.
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Da
Dampf, insbesondere trockener Dampf, eine schlechtere Energieaufnahme
als z. B. Wasser hat, kann es zweckmäßig sein, die Wärmeaustauschflächen insbesondere
im ersten und zweiten Verdampfungsabschnitt zu vergrößern. Dies
kann dadurch erfolgen, dass dem Strömungskanal 1 hier ein
größerer Querschnitt
als in den übrigen
Abschnitten gegeben wird. Das ist in 1 schematisch
für die
Abschnitte 7 und 9 angedeutet. Weiter hat es sich als
besonders zweckmäßig erwiesen,
zumindest die Innenseiten der Verdampfungsabschnitte 7, 9 bzw. 19, 21 aus
normalem Eisen oder einem in der Wirkung ähnlichen Material herzustellen.
Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass sich auf den Innenwänden der Verdampfungsabschnitte 7, 9, 19, 21 bei
der Verdampfung eine Schicht bildet, die auch unter den gegebenen
wechselhaften Bedingungen stabil ist und nicht abplatzt. Eine Beschädigung von
mit dem Dampf betriebenen Einrichtungen wird dadurch sicher vermieden.
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Die übrigen Abschnitte
des Strömungskanals 1 können z.
B. aus Edelstahl hergestellt sein. Da in diesen Abschnitten keine
Verdampfung stattfindet, ist hier die Gefahr der Bildung unerwünschter
Ablagerungen oder von Korrosion od. dgl. praktisch nicht vorhanden.
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Die
Ausführungsbeispiele
nach 1 und 2 bzw. 3 können auf
zahlreiche Weise abgewandelt werden. Je nach Ausbildung und Leistung der
Wärmequelle
kann z. B. der zweite Verdampfungskanal 9 bzw. 21 ganz
weggelassen werden. Weiter brauchen die verschiedenen Abschnitte
der Strömungskanäle 1, 14 je
nach Fall nur aus wenig stens je einer spiralförmigen Windung (1)
bzw. wenigstens je einer mäanderförmig verlegten
Schleife (3) bestehen. Dasselbe gilt für den zweiten Verdampfungsabschnitt 9, 21,
falls ein solcher vorhanden ist. Weiter ist es möglich, den Strömungskanal 1, 15 in
mehreren, übereinander
liegenden Schichten bzw. Ebenen auszubilden, indem jeweils mehrere
spiral- oder mäanderförmige Kanalabschnitte übereinander
gelegt und strömungsmäßig so miteinander
verbunden werden, dass sich die beschriebene räumliche und strömungsmäßige Anordnung ergibt.
Die Zahl der verwendeten Schichten kann dabei an die Erfordernisse
des Einzelfalls angepasst werden. Außerdem können die verschiedenen Abschnitte
z. B. Längen
von einigen Metern und Durchmesser von einigen Millimetern aufweisen.
Dabei ist stets zu beachten, dass die Größen der Oberflächen, der
Wandstärken
und der Längen
der verschiedenen Abschnitte in Verbindung mit dem Massenstrom des Arbeitsmediums
die Wärmeübertragung
von der Wärmequelle 2 auf
das Arbeitsmedium bestimmen.
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In
thermodynamischer Hinsicht ist beachtlich, dass der vorzugsweise
aus rostfreiem Stahlrohr, insbesondere Chrom/Nickel-Stahl (Austenitbildner) hergestellte
Vorwärmabschnitt 6, 17 und
ggf. der erste Verdampfungsabschnitt 7, 19 zur
isobaren Erwärmung
des Arbeitsmediums auf die Siedetemperatur beim jeweils vorhandenen
Druck dienen. Die von der Wärmequelle 2 abgegebenen
Heißgase
od. dgl. werden im Bereich des Vorwärmabschnitts auf ihre niedrigste
Temperatur abgekühlt
und dann an die Umgebung abgegeben.
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4 und 5 zeigen
die Zustandsdiagramme des Clausius-Rankine-Prozesses. Die obere
Hälfte
dieses Kreislaufprozesses spiegelt die Bereiche wider, die von der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
abgedeckt werden.
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Das
Arbeitsmedium mit einer vorzugsweise durch einen Kondensator reduzierten
Anfangstemperatur T1 und dem Ruhedruck p0 wird vom Flüssigkondensatpunkt 30 durch
die Speisepumpe auf einen Arbeits- bzw. Sättigungsdruck p1 gebracht (Speisezustand 31 des
Arbeitsmediums). Die isobare Wärmezufuhr
im Vorwärmabschnitt 6, 17 erhöht die Temperatur
(bzw. Enthalpie und Entropie) bis zu dem durch das Bezugszeichen 32 angedeuteten
Siedepunkt. Die Wärmezufuhr
in diesem Abschnitt ist durch die Wechselwirkung zwischen der Umgebung des
Strömungskanals 1 und
dem Arbeitsmedium bestimmt. Der zeitliche und örtliche Temperaturverlauf wird
insbesondere stark durch den zweiten Verdampfungsabschnitt 6 geprägt.
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Der
Verlauf in den Verdampfungsabschnitten vom Siedepunkt 32 bis
zu dem durch das Bezugszeichen 33 angedeuteten Taupunkt
ist isobar-isotherm, jedoch zweistufig mit unterschiedlichem Wärmezufuhr-Anteil.
Der erste Teil erfolgt im Heißgebiet
der Wärmequelle 2.
Im Anschluss an den zweiten Verdampfungsabschnitt 9, 21 folgt
der Überhitzungsbereich 8, 22 entlang
eines Überhitzungsprozesses zwischen
dem Taupunkt 33 und einem Punkt 34. Vom Taupunkt
bzw. Sättigungspunkt 33 bzw.
zum gewählten
Vorüberhitzungspunkt
verläuft
die Wärmezufuhr durch
den Verdampfungwärme-Entzugsvorgang
bei moderaten Temperaturen des Strömungskanals 1 bzw. 14.
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Der
typische Verlauf einer stationären
Temperaturströmung
für das
Arbeitsmedium und die äußere Umgebung
ist in 6 über
die Länge
L des Strömungskanals 1, 14 und
in 7 über
die radiale Ausbreitungsrichtung R der Wärmeenergie dargestellt. Dabei
geben Kurven 36, 37 den Temperaturverlauf Ti im
Arbeitsmedium und Kurven 38, 39 den Temperaturverlauf
Ta in der Umgebung des Strömungskanals 1, 14 an.
Die hohe Temperaturdifferenz für
den ersten Verdampfungsabschnitt 7, 17 ist ein wesentliches
Merkmal der Erfindung.
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Die
beschriebene Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise auch bei normalen,
z.B. mit Öl,
Gas oder Pellets betriebenen Heizungsanlagen verwendet werden, beispielsweise
für eine
Notlauf- oder Startbetrieb. Die Wärmequelle wird hierbei durch
den jeweiligen Brenner gebildet, während der erzeugte Dampf einem
Dampf/Flüssigkeit-Wärmeaustauscher zugeführt und
zur Erwärmung
des Brauchwassers (Warmwassers) benutzt wird. Der besondere Vorteil besteht
in diesem Zusammenhang darin, dass die Kombination aus Verdampfungsvorrichtung
und Wärmeaustauscher
im Vergleich zu bisherigen Anlagen extrem klein gebaut werden kann.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die
auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Insbesondere können zahlreiche
andere Formen für
den Strömungskanal 1 vorgesehen
werden. Mögliche
andere Anordnungen sind Kugelschichtwicklungen der Hohlformkörper bzw.
Rohre, mäanderförmig gebogene Windungen
in zylindrischer, kubischer Anordnung oder frei geführte Anordnungen
des Flüssigkeits- bzw.
Dampfströmungskanals
durch die verschiedenen Mikroklimazonen. Dabei ist die Grundaufgabe der
Zwangsführung
durch die Temperaturzonen (warm für die Vorwärmstufe, heiß für die erste
Verdampfungsstufe, wärmer
für die
zweite Verdampfungsstufe und gemäßigt heiß für die Überhitzungsstufe)
stets in der beschriebenen Weise zu lösen, wobei eine geringe räumliche
Distanz der verschiedenen Schichten und Bereiche anzustreben ist.
Allerdings kann dabei die räumliche
Anordnung der verschiedenen Abschnitte relativ zueinander auch eine andere
sein, insbesondere wenn der Strömungskanal
mit zusätzlichen,
nicht dargestellten Abschnitten versehen wird. Beispiele für alternative
Ausbildungen des Strömungskanals
sind in 8 und 9 schematisch
dargestellt. Weiterhin sind die obigen Angaben für die Drücke, Temperaturen, Massenströme und Strömungsgeschwindigkeiten
natürlich
nur als Beispiele aufzufassen, von denen in Einzelfall je nach Bedarf
abgewichen werden kann. Weiter ist klar, daß insbesondere beim Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 die
Strömungsrichtung
für die Wärmeenergie
auch umgekehrt, d.h. die Wärmequelle 2 radial
außen
angeordnet und die Wärmeströmung entgegengesetzt
zu den Pfeilen 5 gerichtet werden kann. In diesem Fall
würde sowohl
die räumliche
Anordnung als auch die strömungsmäßige Hintereinanderschaltung
in einer im Vergleich zu 1 und 2 entsprechend
entgegengesetzten Reihenfolge vorgenommen, d.h. der Vorwärmabschnitt
radial innen und der Verdampfungsabschnitt radial außen liegen.
Dabei könnten
auch mehrere, am radial außen
liegenden Umfang der Vorrichtung verteilt angeordnete Wärmequellen
vorhanden sein. Außerdem
versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale in anderen als den
beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden
können.