DE19702942A1

DE19702942A1 - Stromerzeugungsanlage mit offenem oder geschlossenen Kreislauf, vorzugsweise für Verwertung von Bio-Festbrennstoffen

Info

Publication number: DE19702942A1
Application number: DE1997102942
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ittner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-01-28
Filing date: 1997-01-28
Publication date: 1998-07-30

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromerzeugungsanlage mit offenem oder geschlossenen Kreislauf, die sich besonders für die Verwertung von Bio-Festbrennstoffen eignen soll.

Aus der OS DE 38 41 876 A1 ist ein Aufbau für derartige Anlagen bekannt, deren Hauptaufgabe wie beschrieben darin besteht, daß das Arbeitsmedium Gas in mehreren Stufen isothermisch, d. h. unter Zwischenkühlung verdichtet wird, wobei keine Aussage über den wünschenswerten Enddruck gemacht wird.

Dann soll das Gas über einen internen Wärmetauscher, der die Abwär me des Abgases an die verdichtete Luft überträgt, aufgeheizt werden, und dann soll das mit innerer oder äußerer Verbrennung zusätzlich aufgeheizte Gas noch in mehreren Stufen mit Zwischenüberhitzung noch zusätzlich erhitzt werden.

Dieser Aufbau bringt gewisse Nachteile mit sich, da durch die Zwischenüberhitzung und den internen Gegenstromwärmetauscher ein relativ hoher Aufwand betrieben werden muß, was die Anlage für den Kunden verteuert, und was auch mehr Probleme in der Wärmeübertra gung bringt.

Wird die verdichtete Luft im geschlossenen Kreislauf durch das Abgas vorgeheizt, dann läßt sich die Wärme aus der Verbrennung auch nicht mehr vollständig übertragen, wozu diese Schrift vor schlägt, dann diese Wärme an die angesaugte Luft zu übertragen, was noch einen zusätzlichen Wärmetauscher erfordert, und die Sache noch einmal verteuert.

Die Ziele der Erfindung bestehen darin, einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als bei dieser Anlage zu erreichen, indem ein anderer Prozeß durchlaufen wird.

Die Ziele der Erfindung werden dadurch erreicht, daß im offenen Prozeß atmosphärische Luft, und im geschlossenen Prozeß ein ande res günstiges Gas derart unter Zwischenkühlung in mindestens 4 Stufen verdichtet wird, daß der Verdichtungsenddruck sich in der Nähe des kritischen Punktes der verwendeten Gase befindet. Bei Luft liegt der kritische Druck bei 37, 66 bar, also müßte in diesem Prozeß die Verdichtung immer bis ca. in diesen Bereich betrieben werden.

Im Bereich des kritischen Punktes ist das Gas in der Lage, nach Zuführung von Wärme und Entspannung die optimale Arbeit zu leis ten, somit ist dieser Umstand zur Erreichung des gewünschten hohen Wirkungsgrades meiner Anlage sehr wichtig.

Die Verwendung von mindestens 4 Verdichterstufen mit Zwischen kühlung ist wichtig, um sich nahe an der idealen Isotherme zu bewegen, da sonst auch die Verluste sehr ansteigen würden.

Bei der Entspannung des Gases wird eine Adiabate durchgeführt, von ca. 1100° Cels. Höchsttemperatur des Gases auf ca. ein bar Enddruck, wodurch dann die Temperatur bei 1 bar unter 100° Cels. sinkt, und die Luft nicht mehr in einem zusätzlichen Wärmetauscher abgekühlt werden muß, sondern direkt ins Freie gehen kann. Dazu ist es notwendig, daß nicht mit Zwischenüberhitzung gearbeitet wird, sondern nur ein einfacher Wärmetauscherstrang im Gegenstrom verwendet wird, der die verdichtete Luft zwischen Verdichter und ein oder mehrstufiger Entspannung aufheizt, auf ca. 1100° Cels. Also nur diese eine Stelle, an der Wärme zugeführt wird. Die Entspannung in einer Adiabate bringt auch einen höher Wirkungs grad als bei Zwischenüberhitzung und ist viel sicherer durchzu führen.

Da die Endtemperatur nach Verdichtung bei ca. 30 bis 70° Cels. liegt, läßt sich also bequem das ganze Temperaturgefälle bei äußerer Verbrennung im Gegenstrom an das Arbeitsgas übertragen, so daß fast keine Wärme ungenutzt ins Freie geht.

Führt man diese Verdichtung bis zum kritischen Punkt durch, und die Entspannung, bekommt man einen sehr einfachen und preisgünstigen Prozeß mit bestem Wirkungsgrad, und liegt in der Materialbe lastung doch noch viel niedriger, als die Dampfmaschinen bei 220 bis 250 bar Druck.

Im geschlossenen Kreislauf soll ein Gas verwendet werden, das seinen kritischen Punkt bei ca. 70 bar hat, und das durchaus bei ca. 30-40 bar dann kondensiert.

Ein anderer Umstand des Prozesses liegt darin, daß in den oberen Verdichterstufen auch eine Teil- oder Vollkondensation des Gases im geschlossenen Kreislauf erfolgen darf. Das flüssige Gas wird dann über eine Pumpe in einen Flüssiggasvorratsbehälter gepumpt, und flüssiges Gas wird auch zur Regelung der Anlage auf den Wärme tauscher im geschlossenen Kreislauf gespritzt, so daß es verdampft aber trotzdem im geschlossenen System bleibt. Durch Steuerung und der Absaugung und Einspritzung kann man den Gesamtdruck der Anlage Steuern.

Es wäre in der Praxis also ein Prozeß, wo sich das Gas erst nach erreichen einen gewissen Druckes verflüssigt.

Dadurch könnte dann der Verdichtungsaufwand besonders niedrig gehalten werden.

Also, je nach verwendetem Gas tritt keine, oder eine mehr oder weniger starke Verflüssigung ein, auch abhängig von den Praxis bedingungen. Aber bis in Nähe Kritischer Druck soll immer verdichtet werden.

Meine Anlage zeichnet sich also durch folgende Punkte aus.

1. Isotherme Verdichtung in mindestens 4 Stufen bis Nähe kritischer Druck.
2. Übertragung der Wärme in nur einem Tauscherstrang ohne Zwischenüberhitzung bei Entspannung.
3. Adiabate Entspannung in ein oder mehreren Stufen bis ca. 1 bar und geringer Endtemperatur.
4. Endtemperatur im Abgas von höchstens 150° Cels. und keine Wärmeübertragung an das verdichtete Gas.

Die Abwärme des Prozesses aus Verdichtung und Abgasendtemperatur kann an einen Heizkreislauf übertragen werden.

Im offenen oder geschlossenen Kreislauf wird das Gas über einen Gegenstromwärmetauscher durch äußere Verbrennung erhitzt, kann aber im offenen Kreislauf auch durch innere Verbrennung erhitzt werden.

Es ist geplant u. Umständen Verdichter zu verwenden, die nach dem Drehkolbenprinzip des Wankelmotors arbeiten, jeder Kolben betätigt dabei 2 Verdichtungskammern, und der Auslaß wird über Ventile gesteuert.

Durch die Wärmeübertragung in einem Gegenstromtauscherstrang lassen sich in meiner Anlage Rauchgasaustrittstemperaturen von unter 100° Cels. erreichen, und damit auch die Kondensationswärme aus dem im Wasserdampf des Rauchgases enthaltenen Energie nutzen. Das ist bei der DE 38 41 876 und anderen Maschinen nicht gegeben, erhält seine Wichtigkeit bei äußerer Verbrennung und ist von sehr großem energetischen Vorteil.

Verbrennungsofen für die Verbrennung von festen Brennstoffen, vorzugsweise Bio-Festbrennstoffe in äußerer Verbrennung

Der Brennofen besteht aus einer oder mehreren Röhren, von ca. 2 Meter bis ca. 4 Meter Länge die nebeneinander senkrecht stehend, oder schräg stehend angebracht sind. Es können normale Druckfeste Rohre verwendet werden.

In jeder dieser Röhren befindet sich ein röhrenförmiger Wärme tauscher aus Keramik, mit geringerem Querschnitt, der mit Rippen an innen und Außenwand versehen ist.

Dieser Keramiktauscher ragt unten und oben aus der Metallröhre heraus. Die Metallröhren sind oben und unten Luft bzw. Druckdicht mit der Keramikröhre verbunden, so daß der Zwischenraum zwischen Metallröhre und Keramikröhre druckdicht ist.

In diese stehenden Röhren wird von oben das Brennmaterial über Klappen und z. B. Schnecken eingeführt, die Klappen sofort wieder geschlossen. Von unten wird über ein Gebläse frische Luft einge blasen zur Verbrennung, und die Asche wird unten z. B. mechanisch ausgetragen. Im Inneren der Keramikröhre findet also die Verbren nung statt, und der Zwischenraum zwischen Metallröhre und Keramik röhre wird vom hochverdichteten Gas im Gegenstrom durchflossen, so daß der Arbeitsgasaustritt relativ weit unten aus der Metall röhre stattfindet.

Durch diese Anordnung wird die Keramik nur auf Druck belastet, die Stahlröhre aber auf Zug, was genau den Erfordernissen ent spricht, da Keramik sehr druckfest ist.

Im Innern der Stahlröhre befindet sich noch eine Isolierung, die das Rohr gegen das heiße Arbeitsgas schützt.

Auf jeder stehenden Röhre befindet sich ein kleiner Trichter, in den das Brennmaterial fällt, und bei öffnen der Klappe in die Röhre fällt.

Die Metallröhren sind sinnvollerweise außen nicht isoliert.

Hinter dieser Reihe stehender Metallröhren (Tauscher) befinden sich einzelne nachgeschaltete Wärmetauscher, oder der Gasstrom wird in einen oder zwei nachgeschalteten Wärmetauschern zusam mengefaßt. Auch hier Gegenstrom.

Beschreibungen zu den Zeichnungen Zeichnung I

1. Verdichter
2. Zwischenkühler
3. Brennofen mit Hochtemperatur Wärmetauscher.
4. Abgasrohr für Brenngase
5. Entspannungsmaschinen
6. Arbeitsgasauslaß
7. Arbeitsgaseinlaß.

Zeichnung II = Brennofen

1. rohrförmiger Außenmandel
2. Isolierschicht
3. Zwischenraum für Gaserhitzung
4. Keramikrippen
5. Keramikrohr
6. Auslaß für heißes Arbeitsgas
7. Gebläse
8. Festbrennstoffeinfülltrichter
9. Verbindungsrohr f. Brenngase
10. Verbindungsrohr f. Arbeitsgas z. B. Luft
11. Nachgeschalteter Niedertemperatur Wärmetauscher
12. Abgasrohr f. Brenngase.

Zu Zeichnung I. Das Arbeitsgas wird durch die Verdichter aus dem Freien oder einen Vorratsbehälter angesaugt und unter Zwischenkühlung durch die Kühler (2) isothermisch verdichtet. Dann wird es im Brennofen (3) im Gegenstrom erhitzt, bzw. noch in einem nachgeschalteten Wärmetauscher, und dann über die Entspannungsmaschinen (5) Adiabat entspannt, unter Erzeugung von mechanischer Leistung. Verbunden mit (5) ist ein Genera tor und die Verdichter (1).

Mit Rauchgas ist die Luft gemeint, in der der Brennstoff ver brennt. Abgas tritt am Ende der Entspannung aus der Entspannungs maschine.

Claims

1. Stromerzeugungsanlage mit offenen oder geschlossenen Kreis lauf bei der eine isotherme Verdichtung erfolgt, und eine Wärme übertragung bei gleichem Druck, gekennzeichnet dadurch:
daß nahe an den kritischen Druck des jeweiligen Gases verdichtet wird,
daß mindestens vier Verdichterstufen verwendet werden, und das verwendete Gas bis ca. zur Höhe seines kritischen Druckes verdichtet wird. Danach erfolgt die vollständige Wärmeübertra gung in einem einzigen Gegenstromstrang, und danach die adiabate Entspannung ohne Zwischenüberhitzung. Geringe Abgasendtemperatur und keine Wärmeübertragung auf die verdichtete Luft in Zwischenüberhitzung.

2. Stromerzeugungsanlage nach Oberbegriff, gekennzeichnet dadurch:
daß im offenen Kreislauf auch mit innerer Verbrennung gearbeitet werden kann bzw. Kraftstoffeinspritzung in Brennkammer.

3. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch:
daß bei erreichen eines gewissen Druckes eine Teilverflüssigung oder Vollverflüssigung des Gases erfolgen kann, daß diese Flüssig keit über Pumpe abgesaugt wird, und in einen Flüssiggasvorrats behälter eingeleitet wird, oder direkt auf den heißen Wärmetauscher aufgespritzt wird, wo Verdampfung und Expansion erfolgt. Dies kann zur Drucksteuerung der Anlage verwendet werden.

4. Stromerzeugungsanlage nach Oberbegriff, gekennzeichnet dadurch:
daß ein Brennofen verwendet wird, der aus stehenden Metallröhren besteht, in deren Innern sich mit Rippen versehene Keramikröhren befinden, in deren Innern die Verbrennung erfolgt, und das Arbeits gas im Gegenstrom zum Luftstrom geführt wird. Die Keramikröhren werden von oben mit Brennmaterial beschickt, und unten wird die Asche entnommen und Frischluft zugeführt.

5. Stromerzeugungsanlage nach Oberbegriff, gekennzeichnet dadurch:
daß die nach den stehenden Metallröhren geschalteten Wärmetau scher auch aus Keramik bestehen können.

6. Stromerzeugungsanlage nach Oberbegriff, gekennzeichnet dadurch:
daß die in Reihe geschalteten Verdichter nach dem Drehkolbenprin zip des Wankelmotors arbeiten, wobei jeder Drehkolben dann zwei Verdichtungskammern hat. Die Auslaßsteuerung erfolgt dabei sinnvollerweise über Ventile.

7. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch:
daß das Verfahren es ermöglicht die Rauchgasaustrittstemperatur bei gut unter 100° Cels. zu halten, und damit auch die Kondensati onswärme des im Rauchgas enthaltenen Wasserdampfes an das verdichtete Gas zu übertragen.

8. Stromerzeugungsanlage nach Oberbegriff, gekennzeichnet dadurch:
daß die Röhren des Brennofens anstelle nebeneinander auch in einem Kreis angeordnet sein können, wobei der nachgeschaltete Wärmetauscher in der Mitte des Kreises oder außerhalb sein kann.