[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] Es besteht ein ständiges Bedürfnis die Herstellungskosten für die Erzeugung technisch
nutzbaren Dampfes zu verringern.
[0006] Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine kostengünstige Erzeugung
eines technisch nutzbaren Dampfes ermöglichen.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
[0023] 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.
[0024] 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.
[0025] 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.
[0026] 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.
[0027] 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.
[0028] 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.
[0029] 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.
[0030] 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.
[0031] 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.
[0032] 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.
[0033] 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.
[0034] 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.
[0035] 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.
[0036] 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.
1. Verfahren zur Dampferzeugung, 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,
wobei die in dem Wälzkolbengebläse (22) erzeugte Energie zum vollständigen oder teilweisen
Betrieb der Fördereinrichtung (14) mechanisch und/oder elektrisch der Fördereinrichtung
(14) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Zuführen der Energie von dem Wälzkolbengebläse
(22) an die Fördereinrichtung (14) unter Umgehung eines externen Stromnetzes, insbesondere
im Wesentlichen direkt und/oder unmittelbar, erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mit Hilfe einer Pumpe (18) ein verdampfbares
Arbeitsmedium in einen vom dem Verbrenner (12) erhitzen Dampfkessel (16) gepumpt wird,
wobei die in dem Wälzkolbengebläse (22) erzeugte Energie zum vollständigen oder teilweisen
Betrieb der Pumpe (18) mechanisch und/oder elektrisch der Pumpe (18) zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zumindest ein Teil der in dem
Wälzkolbengebläse (22) erzeugten Energie in ein Stromnetz (30) eingespeist wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zumindest nach einer Anlaufphase
zur Erreichung eines regulären Betriebszustands die Dampferzeugung ausschließlich
rein thermisch durch die Verbrennung des Brennstoffs betrieben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Förderleistung der Fördereinrichtung
(14) derart eingestellt wird, 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.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Sollbetriebsdruck ps ps ≥
1,2 bar, insbesondere 2,0 bar ≤ pS ≤ 100 bar, vorzugsweise 5,0 bar ≤ pS ≤ 50 bar, weiter bevorzugt 7,0 bar ≤ pS ≤ 30 bar und besonders bevorzugt 9,0 bar ≤ pS ≤ 15 bar beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Wälzkolbengebläse (22) 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 (22) von einem Generator (28) 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 wird.
9. Dampferzeuger zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit
einem Dampfkessel (16) zum Verdampfen eines verdampfbaren Arbeitsmediums auf einem
Erzeugungsistdruck,
einem Verbrenner (12) zum Erhitzen des Arbeitsmediums in dem Dampfkessel (16) durch
eine Verbrennung von Brennstoff,
einer Fördereinrichtung (14) zum Fördern des Brennstoffs in den Verbrenner (12),
einer Pumpe (18) zum Fördern des Arbeitsmediums in den Dampfkessel (16), einem an
dem Dampfkessel (16) angeschlossenen Wälzkolbengebläse (22) 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 (22) 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 (22) abgreifbare mechanische
Energie zumindest teilweise mechanisch und/oder elektrisch mit der Fördereinrichtung
(14) und/oder mit der Pumpe (18) gekoppelt ist.
10. Dampferzeuger nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die an der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses (22) abgreifbare mechanische Energie
zumindest teilweise über einen an der Ausgangswelle angreifenden Generator (28) elektrisch
mit einem Stromnetz (30) gekoppelt ist.
11. Dampferzeuger nach Anspruch 9oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass über einen Generator (28) zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie
eine wiederaufladbare Batterie (32) an der Ausgangswelle des Wälzkolbengebläses (22)
angekoppelt ist.
12. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 9 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (14) und/oder die Pumpe (18) mechanisch mit der Ausgangswelle
des Wälzkolbengebläses gekoppelt ist.
13. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 9 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (14) und/oder die Pumpe (18) unter Umgehung eines externen
Stromnetzes elektrisch über eine interne Stromversorgung mit einem an der Ausgangswelle
des Wälzkolbengebläses (22) angreifenden Generator (28) gekoppelt ist.
14. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 9 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Wellenende der Ausgangswelle aus einem Gehäuse des Wälzkolbengebläses (22)
herausgeführt.
15. Verwendung eines Wälzkolbengebläses (22) 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.