AT501454A2 - Verdampfer - Google Patents

Description

  Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen und Verdampfen von flüssigen Medien.
Primäre Anwendungen dieser Vorrichtung ist der Einsatz in reversiblen Kreisprozessen wie vorzugsweise als Wärmetauscher, als Verdampfer oder Dampferzeuger für Kleinstdampfkraftwerke, zur elektrischen Energie-Erzeugung mittels Dampfgeneratoren (Wärmekraftmaschinen,
Wärmekraftanlagen).
Weitere mögliche Anwendungen sind beispielsweise: durch Dampf betriebene Maschinen, Dampftrocknungsanlagen (Papier-Herstellung), Anlagen zur Dampfextraktion, zur Formgebung von Holz, Dampf-lmprägnier- Verfahren, Einrichtungen zur Reinigung und Sterilisation; zur Milchverarbeitung (Entkeimung);

   DampfgarungsAnlagen (von Gemüse); zur Filz- und Lodenherstellung, Hut-Erzeugung, zur Imprägnierung, zur Zuckerherstellung, zur Dampferzeugung in Saunen oder Sanarien oder Gesundheits-Einrichtungen (Inhalation), Bügeleinrichtungen). Auch ein Einsatz in Kälteanlagen oder Wärmepumpen ist denkbar.
Speziell findet der Gegenstand der Erfindung Verwendung für Kraft-WärmeKupplungen zur anteiligen Erzeugung elektrischer Energie aus Heizanlagen (Ölöfen, Gasthermen, Biomasseheizanlagen (Pellets-, Holz-Brennöfen)).
Die Erfindung besteht im Wesentlichen aus einem Hohlformkörper welcher vorzugsweise für die Einbringung in eine Brennkammer ausgelegt und dimensioniert ist.

   Der Hohlformkörper weist mindestens eine Zuführöffhung zur Einspeisung des zu verdampfenden Mediums auf, welches im Hauptströmungsrichtungsverlauf durch äussere Wärmezufuhr stetig erhitzt, und verdampft wird und schliesslich als Dampf an mindestens einer Austrittsöfrhung an weitere Einrichtungen weitergeleitet wird. Die Form und Positionierung des Hohlformkörpers hat einen entscheidenden Einfluss auf den Temperaturverlauf und EnthalpieGehalt des Mediums entlang des zurückgelegten Weges.
Umgekehrt beeinflusst dieses in der Hohlform befindliche Medium (Arbeitsmedium) auch die mikroklimatischen Eigenschaften von einem Wärme abgebenden Medium ausserhalb der Hohlform. Vorzugsweise ist dieses äussere Medium ein Verbrennungsgas (Abgas) oder eine Fluidströmung.

   Durch den Temperaturunterschied (Temperaturgradienten) kommt es zur Wärmeübertragung (aufgrund von Wärmeleitung und durch thermische Konvektion) vom wärmeren auf das kältere Medium. Dem wärmeren Medium wird Energie entzogen, dem kälteren zugeführt (Grundsatz vom thermischen Gleichgewicht). Abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Hohlformkörpers und den physikalischen (thermischen, kalorischen) Eigenschaften der Medien, kommt es zu einer kontinuierlichen Veränderung von Temperatur oder AggregatsZustand. Es gelten dabei Zustandsformen die durch den Clausius-Rankine-Prozess beschrieben werden. Im Verdampfungsprozess erfolgt eine isobarisotherme Zustandsänderung vom flüssigen Zustand in den dampfförmigen Zustand.

   Dabei ist die diatherme Wandbegrenzung des Hohlformkörpers je nach Art und örtlich physikalischen Zustand des Mediums unterschiedlichen äusseren und inneren Umgebungsbedingungen ausgesetzt, welche für die Lebensdauer des verwendeten vorzugsweise metallischen Materiales von grosser Bedeutung ist. Verbrennungsoxidation, Korrosionsbildung, oder Ablagerungen, aber auch Erosion und Kavitation können schädigend auf den Verdampfer einwirken.
Aufgabe der Erfindung ist das Erhitzen und Verdampfen von Flüssigkeiten durch geeignete Hohlformkörper mit geringem Raumbedarf mittels Wärmezufuhr vorzugsweise durch Fluide von aussen oder durch Wärmestrahlung.

   Dabei soll die Qualität und Dimensionierung des Hohlformkörpers (Korrosionsbeständigkeit, Zunderbeständigkeit, Warmfestigkeit, bei gleichzeitig hoher thermischer Leitfähigkeit) abhängig vom Temperatur- und Feuchtigkeits- Verlaufes des inneren und äusseren Mediums gewählt werden. Die Positionierung und Dimensionierung der Hohlformkörperabschnitte soll bis zur vollständigen Verdampfung aufgrund der erwarteten (berechneten) Temperatur-Entropie- Verlaufskurve und damit der erwarteten Enthalpie-Entropie-Kurve des Verdampfungsmediums system-optimal für höchsten Wirkungsgrad erfolgen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch eine Verdampfereinrichtung gelöst, welche aus vorzugsweise geschichteten Hohlformkörperabschnitten besteht.

   Die Abschnitte sind den verschiedenen Prozess-Aufgabebereichen zugeordnet und teilweise sequentiell, teilweise nicht sequentiell bezogen auf den Strömungspfad des Energiefiusses angeordnet. Zunächst erfolgt die Vorwärmung, gefolgt von der Verdampfung (l.Teil), gefolgt von einer weiteren Verdampfung (2. Teil) welche in Folge Entropiezunahmereduktionsstufe genannt wird und schliesslich gefolgt von der Überhitzung des Arbeitsmediums.
Dessen Temperatur erhöht sich dabei im Vorwärmbereich bis zum Siedepunkt, bleibt konstant im Verdampfer- und im Entropiezunahmereduktionsbereich und erhöht sich nochmals im Überhitzungsbereich.
Die Anordnung der Hohlformkörperabschnitte bezogen auf die Energiequelle erfolgt derart, dass der Vorwärmer in der geringsten Umgebungstemperatur oder der Wärmestrahlungsquelle am Entferntesten platziert ist.

   Die Vorrichtung zur Entropiezunahmereduktion befindet sich in der nächst höheren Umgebungstemperatur, und der Verdampfer in der höchsten Umgebungstemperatur, der Wärme(strahlungs-) quelle am nächsten. Der Überhitzungsbereich liegt folglich in einem Temperaturbereich welcher zwischen dem niedrigeren um die Entropiezunahmereduktion und dem höheren um den l.Teil des Verdampfers (Verdampferstufe) liegt.
Alle bekannten Wärmetauscher sind entweder als Plattenwärmetauscher, in Kesselummantelungen oder in Kompressoranlagen für Kühlmittel in flacher Bauweise und mit grosser Oberfläche im und um den Heiz- oder Kühlraum angeordnet.
Auch findet man Wärmetauscher-Bündel mit einer Vielzahl an Wärmetauschrohren die in den Kessel eingebettet sind.

   Dabei wird dem Strömungsprofil der Abgasströmung oder dem Medium zur Energieabgabe nur soweit Aufmerksamkeit geschenkt, dass es zu einer ausreichenden Wärmeübertragung über die Rohre zum Wärmeträger kommt. Die Umströmung der im Wesentlichen aus konstantem Material bestehenden Systeme ist nicht optimal vorbestimmt, wodurch unterschiedliche Wärmetransporteigenschaften der Abschnitte resultieren. Dadurch verursachte Nachteile sind vorzeitige Korrosion, geringe Lebensdauer, hohe Ausfallswahrscheinlichkeit, und geringe Einsetzbarkeit in Heizkesseln oder Kälteanlagen kleiner bis kleinster Bauform.

   Moderne Wärmekraftanlagen arbeiten mit hohen Drücken und Temperaturen und ersetzen die Verdampfungsstufe durch Wärmezufuhr durch Verdampfung mittels Expansion.
DD 286038 A5 beschreibt einen mit Wärmerohren ausgerüsteten Heizkessel, wobei die Wärmerohre in labyrinthf[delta]rmig angeordneten Plattenwärmetauschern eingebettet sind. Zur unterschiedlichen Temperierung werden isolierende oder Wärme leitende Materialien um die Wärmerohre eingesetzt. Die darin beschriebene Erfindung bezieht sich aber nicht auf optimale Verdampfungsenergiezufuhr sondern auf optimales Wärmetauschen zur Erwärmung von Brauch- oder Heizungswasser.

   DE 43 03 613 AI beschreibt einen Zwangdurchlauferzeuger nach dem BENSONVerdampfer, bei welchem die Optimierung des Verdampfungsvorganges durch ein ZweikreisSystem erreicht wird, wobei ein Kreis der zyklischen Vorwärmumwälzung dient, und der andere zumindest in der Anfahrphase vom vorgewärmten Medium in kontrollierter Weise beaufschlagt wird.
DE 100 00 082 AI beschreibt ein Verfahren zum Betreiben von Dampfmotoren, wobei das Verdampferrohr einen in Durchströmrichtung des Wärmeträgers wachsenden Querschnitt aufweist.
DE 42 16 278 AI beschreibt einen Dampferzeuger bestehend aus Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer mit jeweils konischen Rohrwendeln für Vorwärmer und Überhitzer und zylindrischer Wendel für den Verdampferteil.

   Diese Veröffentlichung kommt dem Gegenstand der Erfindung schon sehr nahe, da das Hitzeprofil in der Brennkammer (Prozessraum) für die einzelnen Stufen zugeordnet oder zumindest zuordenbar ist. Dabei liegt der Vorwärmer am kühleren Ende der Verbrennungsgasströmung, der Überhitzer am heissen Anfang dieser Strömung und der Verdampfer ist als Wandbereich um die Strömung angeordnet. Eine Mehrzahl gebündelter Rohre in dieser Anordnung ist vorgesehen.
In der gegenständlichen Erfindung verläuft die Strömung des externen Mediums vorzugsweise nahezu rechtwinklig zur Haupt-Strömungsrichtung des Mediums.

   Merkmale und Vorteile der Erfindung sind:
Die Schichten der Hohlformkörperanordnung sind vorzugsweise durch Stege (Kämme) miteinander verbunden und auf Distanz gehalten, wodurch hohe Stabilität und ein guter Kontakt des äusseren Medium resultiert.
Die Überhitzung ist zwischen zwei Verdampferstufen gebettet.
Rekursive Führung des Arbeitsmediums in der Entropiezunahmereduktionsstufe (2Teil des Verdampfers) bewirkt eine Optimierung der Vorwärmstufe, aufgrund geringerer Abkühlung des Fluids oder geringere Strahlungsabsorption.
Verringerte Entropiezuwachsgeschwindigkeit bewirkt Materialschonung.
Nacheinbaufähigkeit in bestehende Heizkessel ohne Verdampfersystem (kein KesselwandSystem!)

  
Im Wesentlichen sind vier statt drei HohlformAbschnitte aus mindestens zwei verschiedenen Grundmaterialien zur Anpassung an Aggregatzustand und Temperatur-Druck Kurven vorgesehen.
Die Förderleistung (Druckerhöhung) der Speisepumpe kann mit mindesten einem Temperatursensor geregelt werden.
Gute Eignung für Kreisprozesse mit niedriger Generatorleistung (unter 10 kW),
Sehr geringe Druckerhöhung durch Speisepumpe erforderlich.
Durch die Art der Anordnung und die Wahl des Materiales je Abschnitt sind VerdampferBaugrössen unter 5dm<3>mit geeignetem Wirkungsgrad und hoher Lebensdauer erst machbar. Rund 80% der erzeugten Wärmeenergie wird in Heissdampf übergeführt, aus welchem beispielsweise 12-13% elektrische Energie (Strom) und 87-88% Abwärme (Heizung, Warmwasser) genutzt werden können.

   Alle anderen gängigen Verdampfungseinrichtungen benötigen weitaus grössere Bauformen, eignen sich bestenfalls als Wärmetauscher zur Wasseraufbereitung oder in kleineren Ausführungen für Wärmepumpen oder für Klimageräte (Kälteanlagen).
Die Erfindung wir anhand nachfolgender Figuren erläutert.

   Es zeigen Fig.1 eine vereinfachte Darstellung der gegenständlichen Erfindung, Fig.2 einen Schnitt durch die Darstellung in Fig.1, Fig.3 das Temperatur-Entropie-Zustandsdiagramm
(T,s) des zugrunde liegenden Clausius-Rankine-
Prozesses für ein Beispiel der Erfindung,
Fig.4 das Enthalpie-Entropie-Diagramm (h,s) des
Clausius-Rankine-Prozesses (Mollier-Diagramm).
Fig.5 zeigt das Blockschaltbild der funktioneil unterscheidenden Bereiche der Erfindung.
Fig.6 zeigt den inneren Temperaturverlauf längs der Verdampfereinrichtung und entspricht der zeitlichen Änderung des Temperaturverlaufes eines
Arbeitsmittelpaketes .
Fig.7 zeigt den äusseren Temperaturverlauf längs der Verdampfereinrichtung.
Fig.8 bis Fig.10 zeigen weitere Ausführungsformen der gegenständlichen Erfindung.
Fig.1 zeigt eine Grundanordnung der Hohlformkörperabschnitte und deren Verbindung in vereinfachter Darstellung.

   Die Hohlform (1) ist vorzugsweise aus Metallrohren aufgebaut, welche in Durchlaufrichtung (2) durch geeignete Verbindungseinrichtungen undoder Verschweissung an den Verbindungsstellen (3) aneinander gefügt sind.
Diese Hohlformabschnitte unterscheiden sich in Länge, Innendurchmesser, Wandstärke und Material, abhängig davon welchem Bereich (Vorwärmen, Verdampfen und Überhitzen) diese zugeordnet sind. Hier ist eine nahezu spiralförmig von aussen nach innen verlaufende Anordnung gezeigt. Dem Vorwärmbereich (4) folgt der Verdampfungsbereich (5), der Entropiezunahmereduktionsbereich (6) und schliesslich der Überhitzungsbereich (7).

   Die Wärme zuführende Fluidströmung (8) erfolgt nahezu radial von innen nach aussen vom heissen Zentrum zur gekühlten Randschicht.
Der äusserste Bereich (4) der Einrichtung (1) besteht vorzugsweise aus in mehreren Windungen gebogenem rostfreiem Stahlrohr oder dergleichen (vorzugsweise Chrom-Nickelstahl, Austenitbildner). Er dient zur Vorwärmung des über die Zuführöffhung (9) vorzugsweise von einer Speisepumpe (zur reversibel adiabaten Druckerhöhung) zugeführten Arbeitsmediums (10).
8 Dieses Arbeitsmedium wird durch das, die Einrichtung umgebende Fluid (11) (vorzugsweise ein Verbrennungsgas) oder durch Wärmestrahlung, isobar auf die Siede-Temperatur für den vorbestimmten Druckzustand des Mediums gebracht.

   Dabei kommt es zur Abkühlung des externen Fluids (11) vor dem Verlassen der Einrichtungsumgebung.
Die Oberfläche und der zurückgelegte Weg pro Zeiteinheit bestimmen dabei die Wärmeübertragung vom Fluid (11) oder durch die Wärmestrahlung auf das Arbeitsmedium (10). Dieser Bereich hat den längsten Weg (vorzugsweise über 10m) bei vorzugsweise geringstem Hohlformquerschnitt (vorzugsweise mit RohrDurchmesser zwischen 4-7mm, und Wandstärken von ca. lmm). Die Anordnung dieses Bereiches und der weiteren Bereiche (5,6,7) erfolgt schichtweise, vorzugsweise durch einander angrenzende Windungen. Jede Schicht besteht aus Hohlformkörperabschnitten, welche sich in einer Umgebungstemperatur ähnlicher Höhe befinden.

   Die Zahl der Schichten pro Stufe ist an die physikalischen Erfordernisse für die phasenzustandsabhängige nichtadiabatische
Wärmeübertragung angepasst.
Nach der Vorwärmstufe mit der geringsten Umgebungstemperatur (aufgrund des
Wärmeentzuges durch Verdampfer und Überhitzerstufe) folgt ein rascher Übergang in den Bereich der höchsten genutzten Umgebungstemperatur (innerste Schicht, zur Wärme(strahlungs-)quelle nächstgelegene Schicht) zum Verdampferbereich (5), durch einen kurzen stark radial nach innen geführten Hohlformkörperabschnitt (12). Die Hohlformkörperabschnitte des VerdampferBereiches (5) bestehen vorzugsweise aus einem gebogenen Eisenrohr (Ferrit) mit hoher Warmfestigkeit und Zunderbeständigkeit.

   Durch die Verdampfung in dieser Stufe mit höchstmöglichem Temperaturgradienten wird über 60% des Aibeitmediums in den gasförmigen Zustand übergeführt. .. .... ...
Innerhalb dieser isobar-isotherme Verdampfungsstufe (5) befindet sich das Arbeitsmedium im Siedetemperatu unkt bei nahezu konstantem Druck. Der in der Verdampferstufe zurückgelegte Weg ist nur ein Bruchteil des Weges verglichen mit dem Weg in der Vorwärmstufe. Die Hohlformkörper-Wandstärke und der InnenQuerschnitt sind jedoch vorzugsweise mindestens doppelt so gross wie in der Vorwärmstufe. Das Arbeitsmedium wird danach über einen weiteren kurzen, nahezu radial nach aussen geführten Hohlformkörperabschnitt (13) mit den Abschnitten des Entropiezunahmereduktionsbereiches (6) verbunden, welche hier spiralförmig nach innen windend benachbart an die innerste Schicht des Vorwärmbereiches (4) angeordnet sind.

   Die Umgebungstemperatur (Fluidtemperatur) ist im Entropiezunahme-reduktions-Bereich (6) höher als im Bereich der Vorwärmstufe (4), jedoch niedriger als in der Überhitzerstufe.
Direkt an die innerste Schicht des Entropiezunahmereduktionsbereiches grenzt der Dampfüberhitzungsbereich (7). Die Hohlformkörperabschnitte dieses Bereiches sind dadurch eingebettet zwischen der radial nach aussen gesehen äussersten Verdampferschicht und der innersten Entropiezunahmereduktionsschicht und weisen gegenüber diesen Schichten eine mittlere Umgebungstemperatur auf.
Dieser Kunstgriff bewirkt eine Prozessoptimierung.

   Die Gastemperatur um den Entropiezunahme-Reduktionsbereich (6) wird aufgrund des geringen Temperaturunterschiedes zum Medium weniger gekühlt als dies bei sequentiellen Schichtungen der Fall ist, die externe Wärme für die Vorwärmstufe bleibt höher.
Für die vollständige Verdampfung des Restanteiles der flüssigen Phase nach dem Verdampfer (5) reicht jedoch der geringe Temperaturunterschied aus. Durch die Einbettung der Überhitzerstufe zwischen die Verdampferstufen-Teile wird auch die weitere isobare Temperaturzunahme des Frischdampfes
10 angepasst. Der Überhitzer besteht vorzugsweise aus einem gebogenen Chrom-Nickel-Stahl-Rohr und ist den Erfordernissen der Dampfhutzung (vorzugsweise durch einen angeschlossenen Dampfgenerator, beispielsweise einer Freikolbenmaschine) angepasst.

   Vorzugsweise wird im Überhitzer-Abschnitt ein gegenüber dem Verdampfer etwas geringerer Querschnitt eingesetzt.
Die beschriebenen Massnahmen bewirken also eine rekursive Rückkopplung vom erhitzten Dampf-Medium hoher Entropie auf das Fluid, die Erhitzungskurve wird idealisiert und erlaubt eine einfache aber kompakte Konstruktion des Dampferzeugers aus einfachen Materialien, wie Eisen- oder legierte Stahlrohre. Der TemperaturGradient geht sprunghaft auf hohe und dann wieder geringe Werte.
Fig.2 zeigt den Schnitt A-A' aus Fig.1. Die Temperatur der Fluidströmung (8) nimmt von innen nach aussen ab. Die Hohlkörperbereiche (4,5,6,7) weisen unterschiedlichen Durchmesser und Wandstärken sowie Materialeigenschaften auf.
Fig.3 und Fig.4 zeigen die Zustandsdiagramme des Clausius-Rankine Prozesses.

   Die obere Hälfte dieses Kreislaufprozesses spiegelt die Bereiche wider, die vom Erfindungsgegenstand abgedeckt werden. Das Arbeitsmedium mit (durch vorzugsweise einen Kondensator reduzierter) Anfangstemperatur Tl und dem Ruhedruck pO wird (vom Flüssigkondensatpunkt (20) adiabat durch die Speisepumpe auf einen Arbeitsdruck (Sättigungsdruck pl) gebracht (Speisezustand des Arbeitsmediums 21). Die isobare Wärmezufuhr im Vorwärmer (4) erhöht die Temperatur (bzw. Enthalpie, Entropie) bis zum Siedepunkt (22). Die Wärmezufuhr in diesem Abschnitt ist durch die Wechselwirkung von Wärmezuführung durch das Fluid um den Hohlformkörper (1) und der Ist-Temperatur des Arbeitsmediums stark bestimmt.

   Der zeithche und örtliche Temperaturverlauf wird hier stark geprägt durch die Entropiezunahmereduktionsstufe (6) der gegenständlichen Erfindung. .
.... ... . ..*
11
Der Verlauf im Verdampferteil vom Siedepunkt (22) bis zum Taupunkt (23) ist isobarisotherm, jedoch zweistufig mit unterschiedlichem Wärmezufuhr-Anteil. Der erste Teil (5) erfolgt im Heissgebiet der Fliudströmung (8). Im Anschluss an die Entropiezunahmereduktion (6) folgt der Überhitzungsbereich (7) entlang des
Überhitzungsprozesses (23-24). Vom Taupunkt (Sattdampfpunkt (23) bis zum gewählten Vorüberhitzungspunkt verläuft die Wärmezufuhr durch den Verdampfungswärme-Entzugvorgang bei moderateren Temperaturen.
Fig.5 zeigt die Funktionsblöcke der Erfindung mit der örtlichen Anordnung der jeweiligen Bereiche für Vorwärmung (4), Verdampfung (5), Entropiezunahmereduktion (6) und Überhitzung (7).

   Durch die Anordnung kommt es zur beabsichtigten Wechselwirkung zwischen Temperaturzunahme im Hohlformkörper und Temperaturabnahme des externen Fluids (11). Die Zahl der Punkte soll hier die Höhe der Fluidtemperatur andeuten. Die Überleitabschnitte (12,13) weisen dabei in kurzen Distanzen hohe Umgebungs-Temperaturänderung auf.
Der typische Verlauf der stationären Temperaturströmung für das Arbeitsmedium (10) und für das äussere Fluid (8) in ist in Fig.6 über die Hohlformkörper -Länge L und in Fig.7 über den Strömungspfad R dargestellt. Die hohe Temperaturdifferenz für den Verdampfungsbereich (5) ist das wesentliche Merkmal.
Die Darstellung in Fig.1 und Fig.2 sind stark vereinfachte Darstellungen, die das Wesen der Erfindung zeigen sollen, die Möglichkeiten der Ausführungen sind vielseitig.

   Vorzugsweise wird jede Schicht als zylindrische Schraubwicklung ausgeführt, deren Windungen durch
Verbindungsstege (Verbindungskämme) (15) verbunden (vorzugsweise verschweisst) sind, wodurch die erforderlichen Stabilitäten und Durchström-Öfmungen resultieren. Am Ende solcher zylindrischer Wicklungen erfolgt die spiralförmige Überführung in die nächste Schicht
12 des gleichen Bereiches mit reduziertem (oder auch vergrössertem) Zylinderradius. Die
Überleitabschnitte (12,13) sind zweckmässig dann auch am Zylinderende untergebracht und überspringen dort die angrenzenden Schichten.

   Die Verbindungsstege (15) können radial und/oder axial verlaufen oder frei angeordnet sein.
Mögliche andere erfindungsgemässe Anordnungen sind Kugelschichtwicklungen der Hohlformkörper, mäanderförmig gebogene Windungen in zylindrischer, kubischer Anordnungen oder frei geführter Anordnung des Flüssigkeits-, bzw. Dampfströmungspfades durch die verschiedenen Mikroklimazonen. Dabei ist die Grundaufgabe der Zwangsführung durch die Temperaturzonen (warm - für Vorwärmstufe, heiss -für Verdampferstufe, wärmer für
Entropiezunahmereduktionsstufe und gemässigt heiss für die Überhitzungsstufe zu lösen, wobei eine geringe räumliche Distanz der Schichten und Bereiche anzustreben ist.

   Beispiele dazu sind in Darstellungen Fig.8 bis Fig.9 skizziert.
Bezugszeichenliste
1 Hohlfo[iota]m(kö[iota]per)
2 Durchlaufrichtung
3 Verbindungsstelle
4 Vorwärmbereich
5 Verdampfungsbereich
6 Entropiezunahmereduktionsbereich
7 Überhitzungsbereich
8 Fluidströmung des externen Mediums
9 Zuführöfmung
10 Arbeitsmedium (Dampferzeugungs-Medium)
11 Fluid (vorzugsweise Abgas, Verbrennungsgas) zur
Wärmezufuhr
12 Überleitabschnitt von der Vorwärmstufe zum Verdampfer
13 Überleitabschnitt vom Verdampfer zur
Entropiezunahmereduktion
14 Austrittsöffnung
IS Verbindungssteg, -kämm
20 Flüssigkondensat-Punkt
21 Speise-Zustandspunkt
22 Siedepunkt
23 Sattdampfpunkt (Taupunkt)
24 Überhitzungspunkt
 <EMI ID=6.1> 
25 Expansions-Nassdampfpunkt

Claims (11)

14 13 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Erhitzen und Verdampfen eines Fluids als Arbeitsmedium (10) in einem HoWformkörper (1), welcher in mindestens einem Raum eingebracht ist, der für mindestens eine Strömung (8) eines Wärme Iransportierenden Mediums (11) vorgesehen ist, oder welcher zu mindestens einer Wärmestrahlungsquelle hin orientiert ist, wobei der Hohlformkörper (1) mindestens eine Zuführöffiiung (9) und mindestens eine Austrittsöffiiung (14) für das Arbeitsmedium (10) aufweist, gekennzeichnet dadurch, dass der Hohlformkörper (1) aus sequentiellen vorzugsweise schichtförmig angeordneten Abschnitten mit mindestens einem Kanal für das Arbeitsmedium (10) aufgebaut ist, wobei die Schichten teilweise sequentiell und teilweise nicht sequentiell bezogen auf den Strömungspfad (8)

des Energie zuführenden Fluids oder auf die Ausbreitungsrichtung der Wärmestrahlung der Quelle angeordnet sind, oder mindestens ein Uberleitabschnitt (13) von einem höheren in ein niedrigeres Temperaturniveau oder von einem Ort höherer Wärmestrahlungsdichte zu einem Ort niedriger Wärmestrahlungsdichte vorhanden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlformkörper (1) aus rnindestens einem Rohr, aus vorzugsweise Metall wie Eisen oder aus Metall-Legierung wie Stahl oder dergleichen gebildet ist, und beschichtet, unbeschichtet oder teilweise beschichtet ausgeführt ist

3. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Verbindungs- oder Abstandseinrichtung wie vorzugsweise mindestens ein Metallsteg oder -kämm (15) oder dergleichen am Hohlformkörper (1) angebracht, vorzugsweise angeschweisst ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht mindestens eine Biegung oder mindestens eine Wölbung aufweist

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlformkörper (1) aus mindestens zwei

Abschnitten unterschiedHcher Materialqualität bezogen auf Korrosionsbeständigkeit, Zunderbeständigkeit und Warmfestigkeit zusammengesetzt ist, wobei die Abschnitte in Durchströmrichtung gasdicht, vorzugsweise durch Schweissen miteinander verbunden sind.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten durch spiralförmige oder spiralähnliche Wicklung des Hohlformkörpers (1) gebildet sind.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schicht durch schraubenförmige vorzugsweise zylindrische Wicklungen mit mindestens einer Windung des Hohlformkörpers (1) gebildet ist.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schicht aus mäanderförmig angeordneten Hohlformkörperabschnitten besteht.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanaiführung des Hohlformkörpers (1) je Schicht vorzugsweise parallel einer gedachten Zylinder-, oder Kugeloberfläche oder parallel einer spiralförmig verlaufenden Fläche frei verläuft, oder so erfolgt, dass die Kanalführungsebenen einen geometrischen Körper wie Quader oder Pyramide, vorzugsweise einen platonischen Körper (Tetraeder, Hexaeder (Würfel), Oktaeder, Pentagon-Dodekaeder oder lkosaeder) oder dergleichen bilden.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Schichten oder des Pfades für das Arbeitsmedium in Kanaldurchströmrichtung von niedriger über hoher zu mittlerer äusserer spezifischer Energiedichte erfolgt.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil einer Verbrennungsanlage, vorzugsweise einer Öl-, einer Gas-, einer Biomasse- (Pellets-, Hackschnitzeloder Scheitholz-) Heizanlage ist oder Bestandteil eines Porenbrenners ist.

Hierzu drei Seiten Zeichnungen