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Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Abführen von Abgasvolumenströmen, umfassend wenigstens eine Leitung.
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Bei allen Verbrennungsvorgängen fallen Abgase und somit Abgasvolumenströme an. Abgase sind nicht weiter nutzbare Abfallprodukte, die somit zumeist in die Umgebung abgegeben werden. Je nach Brennmaterial und Verbrennungsvorrichtung können Abgase die unterschiedlichsten Zusammensetzungen aufweisen und die Temperaturen der Abgase können einige hundert °C betragen. Bei einfachen Verbrennungsmotoren, wie sie beispielsweise zum Betrieb eines Generators verwendet werden, werden die heißen Abgase und damit auch die in den Abgasen gespeicherte thermische Energie ungenutzt in die Umgebung abgegeben.
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Eine Nutzung dieser thermischen Energie findet beispielsweise in Blockheizkraftwerken statt. Hier wird über Abgaswärmetauscher die thermische Energie der Abgase genutzt, um beispielsweise Wasser zu erhitzen. Dieses kann dann beispielsweise in den Heizkreislauf einer Gebäudezentralheizung überführt werden. Durch diese zusätzliche Energieumsetzung wird eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage erreicht.
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Vorrichtungen zur Ausnutzung der in den Abgasen gespeicherten Energie sind aus der
DE 10 2008 017 872 A1 und der
JP 2013-079583 A bekannt.
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In der
DE 10 2008 017 872 A1 ist ein Abgasgenerator beschrieben, bei dem eine Art Turbine in einem Auspuff eines Verbrennungsmotors angeordnet ist. Die Erfindung umfasst eine bewegliche Hohlwelle an deren Stirnseite Turbinenblätter befestigt sind. An der Turbinenhohlwelle sind Ankerwicklungen angeordnet, die in einem permanenten magnetischen Feld bewegt werden. Das magnetische Feld wird durch Permanentmagnete hervorgerufen, die in einem, die Hohlwelle umgebenden Gehäuse angeordnet sind. Die Erfindung soll dabei die kinetische Energie der Abgasströmung nutzen, um elektrische Energie zu erzeugen.
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Des Weiteren ist in der
JP 2013-079583 A ein Verbrennungsmotor mit zwei Zylindern und einem Turbinenschacht für eine Gasturbine beschrieben. Der Turbinenschacht geht dabei von der Verbrennungskammer aus, so dass die Turbine bei Expansion des entzündenden Gases in Rotation versetzt wird.
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Trotz Nutzung der thermischen Energie der Abgase zur Erzeugung von Wärme können Abgase von Blockheizkraftwerken noch Temperaturen von bis zu 180°C aufweisen. Diese Energie geht weiterhin ungenutzt in die Umgebung über und trägt zur Herabsetzung der Gesamteffizienz der Anlage bei.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs genannten Gattung aufzuzeigen, mit der eine Umwandlung der im Abgas gespeicherten thermischen Energie in elektrische Energie ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest die Austrittsöffnung der Leitung Schaufeln einer Turbine angenähert ist, die wenigstens mit einem elektrischen Generator verbunden ist, so dass der Abgasvolumenstrom auf die Turbinenschaufeln trifft, dass die Leitung in einem Bereich unterhalb der Schaufeln mündet und dass die den Abgasstrom abführende Leitung einem Blockheizkraftwerk einer Biogasanlage zugeordnet ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Anlage führt eine Leitung, vorzugsweise eine Rohrleitung, die den Abgasvolumenstrom aufnehmen und leiten kann, vom Ort des Verbrennungsvorgangs weg. Die Austrittsöffnung der Leitung ist so an die Schaufeln einer Turbine angenähert, dass der Abgasvolumenstrom auf die Turbinenschaufeln trifft. Durch die auftreffende Abgasströmung wird die Turbine in Rotation versetzt und die thermische Energie des Abgasvolumenstroms wird somit zunächst in mechanische Energie umgesetzt. Die Turbine ist direkt mit einem elektrischen Generator verbunden, wodurch die mechanische Energie der Turbine in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Der erzeugte Strom kann beispielsweise über einen Stromanschluss ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden, oder zur Deckung des eigenen Strombedarfs genutzt werden. Durch diese Energieumsetzung von thermischer in elektrischer Energie wird der Anteil an ungenutzter Energie des Verbrennungsvorganges minimiert.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Leitung in einem Bereich unterhalb der Schaufeln mündet. Durch diese Anordnung kann die thermische Energie des Abgasvolumenstroms effektiv genutzt werden. Unter normalen Bedingungen besitzt der Abgasvolumenstrom aufgrund seiner hohen Temperatur eine geringere Dichte als das ihn umgebende Medium Luft, so dass das Abgas nach oben steigt und somit die Schaufeln der Turbine in Rotation versetzt.
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Nach der Erfindung ist der Ausgangspunkt der den Abgasstrom abführenden Leitung das Blockheizkraftwerk einer Biogasanlage. Bei einer Biogasanlage mit einer Leistung von 250 kW tritt eine Abgastemperatur von bis zu 180°C auf. Die Austrittsgeschwindigkeit des Abgasvolumenstroms beträgt 945 m3 pro Stunde. Diese Leistungskenndaten zeigen, dass die erfindungsgemäße Anlage sich besonders zur Anwendung an einem Blockheizkraftwerk einer Biogasanlage eignet. Die hohe Abgastemperatur bei Austritt aus dem Blockheizkraftwerk zeigt, dass noch ein hohes Potenzial zur Energieeinsparung gegeben ist. Die erfindungsgemäße Anlage kann hier den Gesamtwirkungsgrad der Biogasanlage steigern.
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Nach einer nächsten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Turbine in einem bis auf eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung geschlossenem Gehäuse befindet. Durch die geschlossenen seitlichen Wandungen des Gehäuses werden negative Einflüsse äußerer Einwirkungen minimiert. So können beispielsweise seitliche Luftströmungen zu Turbulenzen führen, die den Strömungsverlauf der Abgasvolumenströme auf die Schaufeln der Turbine stören, wodurch die Effizienz der Turbine herabgesetzt wird.
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In einer bevorzugten Ausbildung der Anlage ist das Gehäuse rotationssymmetrisch aufgebaut und der Mittelpunkt ist durch die Rotationsachse der Turbine gegeben. Durch den rotationssymmetrischen Aufbau kann der Durchmesser des Gebäudes an den Durchmesser des Schaufelwerkes der Turbine angepasst werden. Somit kann verhindert werden, dass Teile des Abgasvolumenstroms seitlich an der Turbine vorbei strömen und nicht zum Antrieb der Turbine zur Verfügung stehen. Durch diese Maßnahme wird der Wirkungsgrad der Turbine weiter gesteigert.
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Die Geschwindigkeit, mit der der Abgasvolumenstrom auf die Schaufeln der Turbine trifft, wird durch eine wenigstens abschnittsweise Verjüngung des Querschnitts der Leitung erhöht. Bei annähernd konstantem Abgasvolumenstrom führt eine Querschnittsverjüngung der Abgas führenden Leitung zu einem erhöhten Druck und somit zu einer erhöhten Geschwindigkeit des Abgasvolumenstroms.
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Eine besonders effiziente Ausnutzung des Abgasvolumenstroms ist dadurch gegeben, dass die Schaufeln der Turbine an einer senkrecht gelagerten Welle montiert sind. Diese Art der Anordnung ermöglicht es, dass ein Großteil der nach oben steigenden Abgasvolumenströme zum Antrieb der Turbine genutzt wird. Gleichzeitig handelt es sich um eine besonders haltbare Art der Konstruktion, da die Gravitation gleichmäßig auf jede der montierten Turbinenschaufeln wirkt und somit die Lagerung der Turbine oder die Turbinenschaufeln weniger stark belastet werden als beispielsweise bei einer senkrechten Lagerung.
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Zur weiteren Ausbildung der Erfindung ist noch vorgesehen, dass der Winkel zwischen der Mündung der Leitung und den Schaufeln der Turbine durch den Mündungsabschnitt der Leitung einstellbar ist. Durch diese Ausbildung kann der Winkel in dem der Abgasvolumenstrom auf die Schaufeln der Turbine trifft optimal angepasst werden. Durch die Wahl des optimalen Anströmwinkels wird die Effizienz der Turbine weiter gesteigert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1: eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Anlage in einer bevorzugten Ausführung, bei der der Ausgangspunkt der den Abgasstrom abführenden Leitung das Blockheizkraftwerk einer Biogasanlage ist, wobei zu Darstellungszwecken der Deckel des Gehäuses und Teile der Wandung transparent dargestellt sind, und
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2: eine geschnittene Draufsicht der Anlage gemäß 1, und
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3: eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht des Turbinengehäuses.
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In 1 ist eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Anlage dargestellt, bei der zu Darstellungszwecken der Deckel gar nicht und Teile des Gehäuses nur abschnittsweise dargestellt sind. In dieser bevorzugten Ausführung der Anlage ist der Ausgangspunkt der den Abgasstrom abführenden Leitung 1 das Blockheizkraftwerk 2 einer Biogasanlage. Die Leitung 1 führt seitlich aus dem Blockheizkraftwerk 2 heraus und führt von unten in das Gehäuse 3, wobei sie eine Verjüngung 1' aufweist. Durch diese Leitung wird der beim Verbrennungsvorgang im Blockheizkraftwerk entstehende Abgasvolumenstrom weggeführt. Die Verjüngung 1' dient der Beschleunigung des Abgasvolumenstroms. Die Leitung führt so in das Gehäuse 3, dass sich ihre Mündung unterhalb der Schaufeln 4 eines Rotors befindet. Die Schaufeln 4 sind an einer senkrecht gelagerten Welle 5 montiert. Durch diese Anordnung wird der Abgasvolumenstrom auf die Schaufeln 4 des Rotors geleitet, der somit in Rotation versetzt wird. Die Welle ist über einen Treibriemen 6 mit einem elektrischen Generator 7 verbunden. Die mechanische Energie des Rotors wird hierdurch an den Generator übertragen und somit in elektrische Energie umgesetzt. An das Gehäuse 3 ist ein Vorraum 8 angegliedert, in dem beispielsweise Kontrolleinrichtungen oder Vorrichtungen zum Einspeisen des erzeugten Stroms in das Stromnetz untergebracht sind. Der Abgasvolumenstrom gelangt an der oberen Seite des Gehäuses 3 durch einen Schacht 9 in die Umgebung.
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2 zeigt eine geschnittene Draufsicht der erfindungsgemäßen Anlage, gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es ist zu erkennen, dass die Form und der Querschnitt des rotationssymmetrisch aufgebauten Gehäuses 3 an die Form und den Querschnitt des Rotors, bestehend aus den Schaufeln 4 und der Welle 5 angepasst ist. Durch diese Ausführung wird die Effizienz der Energieumwandlung gesteigert. Dargestellt ist auch, dass der Vorraum 8 des Gehäuses eine innere Tür 11 zum Rotorraum und eine Außentür 12 aufweist.
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3 zeigt eine geschnittene, perspektivische Darstellung des Gehäuses 3. Es ist zu erkennen, dass der Abschnitt 10 der Leitung 1' der unterhalb der Schaufeln 4 mündet einen festen Winkel zu den Schaufeln 4 einnimmt. Der Vorraum 8 weist zwei Türen 11 und 12 auf, wobei die Tür 11 zum Rotorraum führt, die Tür 12 ist die Außentür.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
