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Stand der Technik
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Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb einer Heizvorrichtung vorgeschlagen worden, bei welchem in zumindest einem Verfahrensschritt eine Mischung aus einem Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Fluid in einer statischen Brennkammer der Heizvorrichtung unter Abgabe von Wärme zu einem Abgas umgesetzt wird und bei welchem die abgegebene Wärme zumindest teilweise auf ein Brauchfluid übertragen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Heizvorrichtung, bei welchem in zumindest einem Verfahrensschritt eine Mischung aus einem Brennstoff und einem sauerstoffhaltigem Fluid in einer statischen, insbesondere kolbenlosen, Brennkammer der Heizvorrichtung unter Abgabe von Wärme zu einem Abgas umgesetzt wird und bei welchem die abgegebene Wärme zumindest teilweise auf ein Brauchfluid übertragen wird.
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Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt das sauerstoffhaltige Fluid zu einer Aufladung der Heizvorrichtung verdichtet wird. Vorzugsweise ist die Heizvorrichtung, insbesondere im Gegensatz zu einer Wärme-Kraft-Maschine, in zumindest einer regulären Betriebsphase dazu vorgesehen, eine bei Umsetzung des Brennstoffs freiwerdende Energie, insbesondere möglichst vollständig, als nutzbare Wärme bereitzustellen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Vorzugsweise sind bewegliche Elemente der Heizvorrichtung von der Brennkammer beabstandet angeordnet. Insbesondere umfasst die Heizvorrichtung keine beweglichen Elemente zu einer Entnahme von mechanischer Energie unmittelbar aus der Brennkammer, wie beispielsweise einen Motorkolben. Es ist denkbar, dass an der Brennkammer bewegliche Elemente angeordnet sind, die eine Strömung des sauerstoffhaltigen Fluids, des Brennstoffs und/oder des Abgases steuern, wie beispielsweise ein Regelventil, eine Drosselklappe, ein Rückschlagventil, ein Gebläse oder dergleichen.
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Vorzugsweise wird als Brennstoff Heizöl, Erdgas, Methan, Propan, Butan, Benzin, Kerosin, ein sonstiger Kohlenwasserstoff und/oder ein Wasserstoffgemisch verwendet. Vorzugsweise wird als sauerstoffhaltiges Fluid Umgebungsluft verwendet. Es ist aber auch denkbar, dass als sauerstoffhaltiges Fluid ein Industriegas mit definiertem Sauerstoffanteil oder ein flüssiger Sauerstoffträger verwendet wird. Das Brauchfluid kann beispielsweise als Betriebswasser, als Trinkwasser, als Dampf und/oder als Warmluft ausgebildet sein.
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Vorzugsweise wird das sauerstoffhaltige Fluid mittels einer Verdichtereinheit der Heizvorrichtung verdichtet. Besonders bevorzugt wird das sauerstoffhaltige Fluid mittels eines Turboverdichters der Verdichtereinheit der Heizvorrichtung verdichtet. Alternativ oder zusätzlich wird das sauerstoffhaltige Fluid mittels einer Verdrängermaschine, beispielsweise einem Rootsverdichter, eines Kolbenkompressors, eines Vielzellenkompressors, eines Membrankompressors oder dergleichen, und/oder mittels eines Comprexladers der Verdichtereinheit der Heizvorrichtung verdichtet. Vorzugsweise beträgt ein Druckverhältnis des verdichteten sauerstoffhaltigen Fluids zu einem Umgebungsdruck zumindest 1,3. Vorzugsweise beträgt eine Druckdifferenz zwischen dem verdichteten sauerstoffhaltigen Fluid und dem Umgebungsdruck zumindest mehr als 0,5 bar, bevorzugt zumindest 1 bar, besonders bevorzugt mehrere bar. Ein Mischen des sauerstoffhaltigen Fluids mit dem Brennstoff kann vor oder nach dem Verdichten des sauerstoffhaltigen Fluids erfolgen. Vorzugsweise wird bei einem Mischen nach dem Verdichten des sauerstoffhaltigen Fluids der gasförmige Brennstoff vor dem Mischen ebenfalls verdichtet. Vorzugweise wird das verdichtete sauerstoffhaltige Fluid in die Brennkammer geleitet. Vorzugsweise wird der Brennstoff zusammen mit dem sauerstoffhaltigen Fluid in der Brennkammer verbrannt. Vorzugsweise transportiert das Abgas die bei der Umsetzung des Brennstoffs freiwerdende Wärme aus der Brennkammer hinaus. Vorzugsweise erfolgt ein Übertragen der Wärme von dem Abgas auf das Brauchfluid über zumindest einen Wärmeübertrager der Heizvorrichtung, insbesondere einen Rohrbündelwärmeübertrager, einen Plattenwärmeübertrager, einen Mantelrohrwärmeübertrager, ein Heizregister oder dergleichen. Die Wärmeübertragung von dem Abgas auf das Brauchfluid kann unmittelbar oder mittelbar über einen Wärmeträgerkreislauf erfolgen. Die Wärmeübertragung von dem Abgas auf das Brauchfluid und/oder einen Wärmeträger kann innerhalb der Brennkammer und/oder in einem Abzugskanal der Heizvorrichtung für das Abgas durchgeführt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Aufnahmevolumen der Brennkammer bei einer vorgegebenen maximalen Heizleistung vorteilhaft klein gehalten werden. Alternativ kann bei einem vorgegebenen maximalen Aufnahmevolumen der Brennkammer eine vorteilhaft hohe Heizleistung erreicht werden. Insbesondere kann ein vorteilhaft niedriges Luftverhältnis, insbesondere von weniger als 1,3, erreicht werden. Insbesondere kann eine Entstehung von Stickstoffoxiden vorteilhaft gering gehalten werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Energie zu einem Verdichten des sauerstoffhaltigen Fluids zumindest teilweise dem Abgas entnommen wird. Vorzugsweise wird die Energie aus dem Abgas mechanisch entnommen. Vorzugsweise wird die Energie aus dem Abgas mittels zumindest einer Turbine einer Turbineneinheit der Heizvorrichtung entnommen. Insbesondere wird das Abgas mittels der Turbineneinheit entspannt. Alternativ oder zusätzlich entnimmt die Turbineneinheit dem Abgas Bewegungsenergie. Vorzugsweise wird die aus dem Abgas entnommene Energie mechanisch an die Verdichtereinheit übertragen, insbesondere mittels einer mechanischen Welle der Heizvorrichtung. Insbesondere bilden zumindest eine Turbine der Turbineneinheit, die mechanische Welle und zumindest ein Verdichter der Verdichtereinheit einen Abgasturboverdichter. Alternativ oder zusätzlich treibt die Turbineneinheit einen elektrischen Generator an, der die Verdichtereinheit mit elektrischem Strom versorgt. Es ist denkbar, dass die Verdichtereinheit zumindest in einer Anlaufphase teilweise von einem Motor, insbesondere einem Elektromotor, angetrieben wird. Alternativ wird das sauerstoffhaltige Fluid zumindest in der Anlaufphase der Turbine durch einen elektrischen Hilfsverdichter der Heizvorrichtung vorverdichtet und/oder von einem elektrischen Hilfsventilator der Heizvorrichtung durch die Brennkammer befördert. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft zumindest ein Teil der Energie zu einem Aufladen der Heizkammer zurückgewonnen werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass in einer stabilen Betriebsphase der Heizvorrichtung eine Energie zu einem Verdichten des sauerstoffhaltigen Fluids zumindest im Wesentlichen vollständig dem Abgas entnommen wird. Vorzugsweise wird die Verdichtereinheit in der zumindest einen stabilen Betriebsphase ausschließlich von der Turbineneinheit angetrieben. Vorzugsweise erreicht die Heizvorrichtung die stabile Betriebsphase nach der Anlaufphase der Turbineneinheit. Insbesondere tritt die Heizvorrichtung in die stabile Betriebsphase ein, wenn die Turbineneinheit eine vorgegebene Mindestdrehzahl überschritten hat. Sofern vorhanden, werden in der stabilen Betriebsphase der elektrische Hilfsverdichter und/oder der elektrische Hilfsventilator vorzugsweise ausgeschaltet, insbesondere von einer Steuereinheit der Heizvorrichtung. Vorzugsweise ist in der stabilen Betriebsphase eine Heizleistung der Heizvorrichtung, insbesondere manuell von einem Bediener der Heizvorrichtung und/oder automatisch von der Steuereinheit der Heizvorrichtung, änderbar, insbesondere ohne die stabile Betriebsphase zu verlassen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Heizvorrichtung mit vorteilhaft geringem elektrischem Energieaufwand betrieben, insbesondere aufgeladen, werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass eine dem Abgas mechanisch entnommene Energie zumindest im Wesentlichen vollständig auf das sauerstoffhaltige Fluid übertragen wird. Insbesondere entnimmt die Turbineneinheit dem Abgas Energie mechanisch. Unter „im Wesentlichen vollständig“ soll insbesondere mit Ausnahme von unbeabsichtigten Verlusten, insbesondere durch Reibung, vollständig verstanden werden. Vorzugsweise wird zumindest 50 %, bevorzugt zumindest 75 %, besonders bevorzugt mehr als 90 %, der dem Abgas mechanisch entnommenen Energie auf das sauerstoffhaltige Fluid, insbesondere mittels der Verdichtereinheit, übertragen. Vorzugsweise wird die dem Abgas mechanisch entnommene Energie vollständig innerhalb der Heizvorrichtung umgesetzt. Vorzugsweise treibt die Turbine ausschließlich den Verdichter an, insbesondere über die mechanische Welle. Vorzugsweise überträgt die mechanische Welle die Energie von dem Abgas auf das sauerstoffhaltige Fluid freilaufend, insbesondere abtriebsfrei. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Heizvorrichtung vorteilhaft autonom betrieben werden. Insbesondere kann auf eine Berücksichtigung einer Kompatibilität mit einer, insbesondere externen, Arbeitsmaschine verzichtet werden. Insbesondere kann die Heizvorrichtung vorteilhaft bauteilarm ausgestaltet werden.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass eine Umsetzung der Mischung aus dem Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Fluid in der Brennkammer zu dem Abgas in einem verdichteten Zustand des sauerstoffhaltigen Fluids durchgeführt wird. Insbesondere wird der Brennstoff mit dem sauerstoffhaltigen Fluid in der Brennkammer bei einem Überdruck von zumindest 0,5 bar, vorzugsweise von zumindest 1 bar, besonders bevorzugt von mehreren bar, verbrannt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Aufnahmevolumen der Brennkammer bei einer vorgegebenen maximalen Heizleistung vorteilhaft klein gehalten werden. Alternativ kann bei einem vorgegebenen maximalen Aufnahmevolumen der Brennkammer eine vorteilhaft hohe Heizleistung erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt vor einer, insbesondere mechanischen, Energieübertragung von dem Abgas auf das sauerstoffhaltige Fluid Wärme von dem Abgas auf das Brauchfluid übertragen wird. Insbesondere wird stromaufwärts der Turbineneinheit Wärme von dem Abgas auf das Brauchfluid übertragen. Vorzugsweise wird das Abgas vor einem Eintritt in die Turbineneinheit mittels eines Wärmeübertragers der Heizvorrichtung abgekühlt. Insbesondere wird das Abgas zumindest auf eine für die Turbineneinheit maximal zulässige Temperatur abgekühlt. Vorzugsweise wird vor der Turbineneinheit Wärme mittels des Wärmeübertragers der Heizvorrichtung aus dem Abgas auf das Brauchfluid übertragen. Beispielsweise ist der Wärmeübertrager in eine Wandung der Brennkammer integriert, in der Brennkammer angeordnet und/oder in dem Abzugskanal zwischen der Turbineneinheit und der Brennkammer angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können thermomechanische Spannungen in der Turbineneinheit vorteilhaft klein gehalten werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt nach einer, insbesondere mechanischen, Energieübertragung von dem Abgas auf das sauerstoffhaltige Fluid Wärme von dem Abgas auf das Brauchfluid übertragen wird. Insbesondere wird stromabwärts der Turbineneinheit Wärme von dem Abgas auf das Brauchfluid übertragen. Insbesondere wird das Abgas nach einem Austritt aus der Turbineneinheit mittels eines weiteren Wärmeübertragers der Heizvorrichtung abgekühlt. Vorzugsweise wird nach der Turbineneinheit Wärme mittels des weiteren Wärmeübertragers der Heizvorrichtung aus dem Abgas auf das Brauchfluid übertragen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft große Druckdifferenz über dem weiteren Wärmeübertrager genutzt werden. Insbesondere können vorteilhaft hohe Durchströmungsgeschwindigkeiten erzielt werden. Insbesondere kann ein vorteilhaft großer Anteil der bei der Umsetzung abgegebenen Wärme an das Brauchfluid übertragen werden. Insbesondere kann der weitere Wärmeübertrager vorteilhaft kompakt ausgelegt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein Mischen des Brennstoffs und des sauerstoffhaltigen Fluids vor einem Verdichten des sauerstoffhaltigen Fluids durchgeführt wird. Vorzugsweise wird der, insbesondere gasförmige, Brennstoff vor der Verdichtereinheit in einen Strom des sauerstoffhaltigen Fluids eingespritzt. Alternativ wird der, insbesondere gasförmige oder flüssige, Brennstoff in die Brennkammer und/oder zwischen der Verdichtereinheit und der Brennkammer eingespritzt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft auf einen gesonderten Gasverdichter für den Brennstoff verzichtet werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein weiteres Verdichten des sauerstoffhaltigen Fluids gleichzeitig mit und/oder nach einem Verdichten des sauerstoffhaltigen Fluids durchgeführt wird. Insbesondere wird das sauerstoffhaltige Fluid zu einer Kaskadenaufladung der Heizvorrichtung weiter verdichtet. Insbesondere wird das sauerstoffhaltige Fluid mit einem weiteren Verdichter der Verdichtereinheit weiter verdichtet. Vorzugsweise sind der Verdichter und der weitere Verdichter der Verdichtereinheit fluidtechnisch parallel oder in Reihe geschaltet. Der Verdichter und der weitere Verdichter können nach dem gleichen Funktionsprinzip oder nach unterschiedlichen Funktionsprinzipien arbeiten, insbesondere von der gleichen Bauart oder von unterschiedlichen Bauarten sein. Beispielsweise funktioniert der weitere Verdichter gemäß einem der bereits genannten Ausgestaltungsbeispiele für Verdichter. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft hohe Verdichtung des sauerstoffhaltigen Fluids erreicht werden. Insbesondere kann eine vorteilhaft hohe maximale Heizleitung der Brennkammer erreicht werden. Insbesondere können/kann die Brennkammer und/oder der weitere Wärmeübertrager vorteilhaft kompakt ausgelegt werden.
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Darüber hinaus wird eine Heizvorrichtung mit zumindest einer Verdichtereinheit zu einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Beispielsweise ist die Heizvorrichtung als Warmwassererzeuger und/oder Dampferzeuger ausgebildet. Beispielsweise ist die Heizvorrichtung als Wasserrohrkessel ausgebildet. Beispielsweise ist die Heizvorrichtung als, insbesondere mobiler, Gas-Gas-Wärmetauscher ausgebildet, beispielsweise zur Heizung von Zelten. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung zumindest die eine statische, insbesondere kolbenlose, Heizkammer. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung zumindest eine Dichteinheit, insbesondere zu einer gasdichten Abdichtung der Heizkammer. Vorzugsweise umfasst die Verdichtereinheit zumindest einen Verdichter. Optional umfasst die Verdichtereinheit zumindest einen weiteren, fluidtechnisch parallel oder in Reihe zu dem Verdichter geschalteten, weiteren Verdichter. Vorzugsweise ist zumindest einer der Verdichter der Verdichtereinheit als Turboverdichter ausgebildet. Vorzugsweise ist der Verdichter als radialer Turboverdichter ausgebildet. Alternativ ist der Verdichter als axialer Turboverdichter ausgebildet. Vorzugsweise ist der Verdichter in einer Zuleitung der Heizvorrichtung zu der Heizkammer für das sauerstoffhaltige Fluid angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung zumindest eine Turbineneinheit. Vorzugsweise umfasst die Turbineneinheit zumindest eine Turbine. Optional umfasst die Turbineneinheit zumindest eine weitere Turbine, welche insbesondere fluidtechnisch parallel oder in Reihe zu der Turbine angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Turbineneinheit in dem Auslasskanal der Heizvorrichtung aus der Heizkammer angeordnet. Optional umfasst zumindest eine Turbine der Turbineneinheit verstellbare Leitschaufeln. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung zumindest eine Steuereinheit, insbesondere einen Feuerungsautomat, insbesondere zu einer Regulierung einer Heizleistung der Heizvorrichtung. Optional ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, die verstellbaren Leitschaufeln zu steuern oder zu regeln. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung zumindest eine mechanische Welle, welche insbesondere die Turbineneinheit mit der Verdichtereinheit zu einem Antrieb zumindest des Verdichters koppelt. Optional umfasst die Heizvorrichtung zumindest eine weitere mechanische Welle, welche insbesondere die weitere Turbine mit dem weiteren Verdichter koppelt. Alternativ sind der Verdichter und de weitere Verdichter an dieselbe mechanische Welle gekoppelt, beispielsweise axial versetzt und/oder mittels einer Getriebeeinheit der Heizvorrichtung. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung zumindest den Wärmeübertrager zu einer Kühlung des Abgases vor einem Eintritt in die Turbineneinheit. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung zumindest den weiteren Wärmeübertrager zu einer Kühlung des Abgases nach einem Austritt aus der Turbineneinheit. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung zumindest eine Brennstoffzuleitung, welche insbesondere direkt in den Heizkessel oder in die Zuleitung für das sauerstoffhaltige Fluid mündet. Optional umfasst die Heizvorrichtung einen Gasverdichter zu einer Verdichtung des Brennstoffs in einem gasförmigen Zustand. Optional umfasst die Heizvorrichtung eine Brennstoffpumpe zur Förderung des Brennstoffs in einem flüssigen Zustand. Optional umfasst die Heizvorrichtung einen Ölkreislauf zu einer Schmierung und/oder Kühlung eines Lagers der Turbineneinheit und/oder der Verdichtereinheit. Optional umfasst die Heizvorrichtung einen Hilfsverdichter und/oder ein Hilfsgebläse zu einer Überbrückung einer Anlaufphase der Turbineneinheit. Optional umfasst die Heizvorrichtung ein Waste-Gate zu einer Leistungsregulierung der Turbineneinheit. Optional umfasst die Heizvorrichtung eine Schalldämmhaube und/oder einen Abgasschalldämpfer. Optional umfasst die Heizvorrichtung einen zusätzlichen Wärmeübertrager, insbesondere einen Rekuperator, insbesondere zu einer Vorerwärmung des sauerstoffhaltigen Fluids mit einer Restwärme in dem Abgas, insbesondere nach dem weiteren Wärmeübertrager. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Heizvorrichtung als modulare Aufladungsvorrichtung ausgebildet, welche insbesondere die Verdichtereinheit, die Turbineneinheit und die mechanische Welle umfasst, sowie eine Anschlusseinheit zu einem Anschluss an eine externe Brennkammer, insbesondere zu einem Nachrüsten einer bereits existierenden Heizungsanlage. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung kann ein Aufnahmevolumen der Brennkammer bei einer vorgegebenen maximalen Heizleistung vorteilhaft klein gehalten werden. Alternativ kann bei einem vorgegebenen maximalen Aufnahmevolumen der Brennkammer eine vorteilhaft hohe Heizleistung erreicht werden. insbesondere kann ein vorteilhaft niedriges Luftverhältnis, insbesondere von weniger als 1,3, erreicht werden. Insbesondere kann eine Entstehung von Stickstoffoxiden vorteilhaft gering gehalten werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Heizvorrichtung sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Heizvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung,
- 2 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 ein schematisches Diagramm, in dem ein Verhältnis von Druck und spezifischem Volumen aufgetragen ist, des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 ein schematisches Diagramm, in dem ein Verhältnis von Temperatur und Entropie aufgetragen ist, des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 5 ein schematisches Flussdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Heizvorrichtung 12a. Beispielsweise umfasst die Heizvorrichtung 12a einen Heizkessel 36a, beispielsweise einen Flammrohr-Rauchrohr-Kessel, hier in einer 3-Zug-Variante dargestellt. Vorzugsweise ist der Heizkessel 36a dazu vorgesehen, ein Brauchfluid direkt aufzunehmen. Alternativ ist der Heizkessel 36a dazu vorgesehen, einen Wärmeträger aufzunehmen, welcher in einem nachgelagerten Wärmekreislauf Wärme mit dem Brauchfluid austauscht. Insbesondere umfasst die Heizvorrichtung 12a eine statische Brennkammer 18a. Insbesondere ist die statische Brennkammer 18a als Flammrohr ausgebildet. Insbesondere ist die Brennkammer 18a in dem Heizkessel 36 angeordnet. insbesondere ist die Brennkammer 18a dazu vorgesehen, eine Mischung aus einem Brennstoff 14a (vgl. 2) und einem sauerstoffhaltigen Fluid 16a zu einer Wärmegewinnung umzusetzen. Die Heizvorrichtung 12a umfasst zumindest eine Verdichtereinheit 34a. Die Verdichtereinheit 34a ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10a vorgesehen, welches in den 2 bis 4 näher erläutert wird. Insbesondere umfasst die Verdichtereinheit 34a zumindest einen radialen Turboverdichter. Vorzugsweise ist die Verdichtereinheit 34a an einem Einlass für das sauerstoffhaltige Fluid 16a in die Brennkammer 18a, insbesondere außerhalb des Heizkessels 36a, angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung 12a zumindest einen Abzugskanal 38a, insbesondere zu einem Abzug eines Abgases 24a (vgl. 2) aus der Brennkammer 18a. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung 12a zumindest einen Wärmeübertrager 40a. Vorzugsweise ist der Wärmeübertrager 40a in dem Heizkessel 36a angeordnet. Vorzugsweise ist der Wärmeübertrager 40a als Abschnitt des Abzugskanals 38a ausgebildet, der innerhalb des Heizkessels 36a verläuft und insbesondere dazu vorgesehen ist, das Abgas 24a entgegen einer Durchströmungsrichtung der Brennkammer 18a zu führen. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung 12a zumindest eine Turbineneinheit 42a. Vorzugsweise umfasst die Turbineneinheit 42a zumindest eine Turbine. Vorzugsweise ist die Turbineneinheit 42a in dem Abzugskanal 38a angeordnet, insbesondere in einen Abschnitt des Abzugskanals 38a, der außerhalb des Heizkessels 36a angeordnet ist. Insbesondere ist der Wärmeübertrager 40a fluidtechnisch zwischen der Brennkammer 18a und der Turbineneinheit 42a angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung 12a zumindest eine mechanische Welle 44a. Insbesondere koppelt die mechanische Welle 44a die Turbineneinheit 42a und die Verdichtereinheit 34a mechanisch. Insbesondere bilden die Turbineneinheit 42, die Verdichtereinheit 34a und die mechanische Welle 44a zumindest einen Abgasturbolader. Vorzugsweise umfasst die Heizvorrichtung 12a zumindest einen weiteren Wärmeübertrager 46a. Vorzugsweise ist der weitere Wärmeübertrager 46a als Rohrbündelwärmeübertrager ausgebildet. Vorzugsweise ist der weitere Wärmeübertrager 46a in dem Heizkessel 36a angeordnet und insbesondere dazu vorgesehen, das Abgas 24a entgegen einer Durchströmungsrichtung des Wärmeübertragers 40a zu führen. Insbesondere ist die Turbineneinheit 42a fluidtechnisch zwischen dem Wärmeübertrager 40a und dem weiteren Wärmeübertrager 46a angeordnet. Vorzugsweise ist ein Flächeninhalt einer gesamten Oberfläche des weiteren Wärmeübertragers 46a in dem Heizkessel 36a größer als ein Flächeninhalt einer gesamten Oberfläche des Wärmeübertragers 40a.
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2 zeigt das Verfahren 10a zum Betrieb der Heizvorrichtung 12a. Vorzugsweise wird als sauerstoffhaltiges Fluid 16a Umgebungsluft verwendet. In zumindest einem Verfahrensschritt wird das sauerstoffhaltige Fluid 16a zu einer Aufladung der Heizvorrichtung 12a verdichtet. Insbesondere wird durch ein Verdichten 26a des sauerstoffhaltigen Fluids 16a dieses durch die Heizvorrichtung 12a hindurch befördert und/oder die Brennkammer 18a aufgeladen. Vorzugsweise wird das Verdichten 26a, insbesondere zumindest während einer regulären Betriebsphase der Heizvorrichtung 12a, von der Verdichtereinheit 34a durchgeführt. Optional wird das Verdichten 26a zumindest während einer Anlaufphase der Turbineneinheit 42a und/oder der Verdichtereinheit 34a von einem, insbesondere elektrisch betriebenen, Hilfsverdichter und/oder einem, insbesondere elektrisch betriebenen, Hilfsgebläse der Heizvorrichtung 12a durchgeführt.
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Vorzugsweise wird das verdichtete sauerstoffhaltige Fluid 16a in die Brennkammer 18a geleitet, insbesondere mittels eines Rohrsystems der Heizvorrichtung 12a. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt der Brennstoff 14a mit dem sauerstoffhaltigen Fluid 16a vermischt, insbesondere in das sauerstoffhaltige Fluid 16a eingespritzt. Beispielsweise wird der Brennstoff 14a in der Brennkammer 18a mit dem sauerstoffhaltigen Fluid 16a vermischt. In zumindest einem Verfahrensschritt wird die Mischung aus dem Brennstoff 14a und dem sauerstoffhaltigen Fluid 16a in der statischen, insbesondere kolbenlosen, Brennkammer 18a der Heizvorrichtung 12a unter Abgabe von Wärme 20a, 22a zu einem Abgas 24a umgesetzt. Eine Umsetzung 28a der Mischung aus dem Brennstoff 14a und dem sauerstoffhaltigen Fluid 16a in der Brennkammer 18a zu dem Abgas 24a wird in einem verdichteten Zustand des sauerstoffhaltigen Fluids 16a durchgeführt. Die abgegebene Wärme 20a, 22a wird zumindest teilweise auf das Brauchfluid übertragen. Beispielsweise wird eine Wärmeübertragung 48a, 50a der abgegebenen Wärme 20a, 22a auf das Brauchfluid über eine im Inneren des Heizkessels 36a sich erstreckende Wandung der Brennkammer 18a, über den Wärmeübertrager 40a und/oder über den weiteren Wärmeübertrager 46a realisiert.
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In zumindest einem Verfahrensschritt wird eine Energie zu dem Verdichten 26a des sauerstoffhaltigen Fluids 16a zumindest teilweise dem Abgas 24a entnommen. Insbesondere wird die Energie für das Verdichten 26a über ein Entspannen 52a des Abgases 24a mittels der Turbineneinheit 42a gewonnen. Insbesondere koppelt die mechanische Welle 44a zu einer Energieübertragung 30a der bei dem Entspannen 52a gewonnen Energie die Turbineneinheit 42a mit der Verdichtereinheit 34a. In zumindest einer stabilen Betriebsphase der Heizvorrichtung 12a wird eine Energie zu dem Verdichten 26a des sauerstoffhaltigen Fluids 16a vollständig dem Abgas 24a entnommen. Die dem Abgas 24a mechanisch entnommene Energie wird zumindest im Wesentlichen vollständig auf das sauerstoffhaltige Fluid 16a übertragen.
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In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere bei der Wärmeübertragung 48a mittels des Wärmeübertragers 40a, wird vor der Energieübertragung 30a von dem Abgas 24a auf das sauerstoffhaltige Fluid 16a Wärme 20a von dem Abgas 24a auf das Brauchfluid übertragen. In zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere bei der Wärmeübertragung 50a mittels des weiteren Wärmeübertragers 46a, wird nach der Energieübertragung 30a von dem Abgas 24a auf das sauerstoffhaltige Fluid 16a Wärme 22a von dem Abgas 24a auf das Brauchfluid übertragen.
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3 zeigt einen Verlauf eines Drucks p und eines spezifischen Volumens V von den im Verfahren 10a beteiligten Fluiden, insbesondere des sauerstoffhaltigen Fluids 16a, der Mischung des sauerstoffhaltigen Fluids 16a und des Brennstoffs 14a und/oder des Abgases 24a. 4 zeigt einen Verlauf einer Temperatur T und einer Entropie S von den im Verfahren 10a beteiligten Fluiden, insbesondere des sauerstoffhaltigen Fluids 16a, der Mischung des sauerstoffhaltigen Fluids 16a und des Brennstoffs 14a und/oder des Abgases 24a. Insbesondere wird bei dem Verdichten 26a das sauerstoffhaltige Fluid 16a polytrop verdichtet. Beispielsweise bringt die Verdichtereinheit 34a bei dem Verdichten 26a das sauerstoffhaltige Fluid 16a auf den Druck p von 2 bar, insbesondere auf einen Überdruck von 1 bar. Insbesondere erwärmt sich das sauerstoffhaltige Fluid 16a während des isotropen Verdichtens 26a und/oder aufgrund von dissipativen Strömungsverlusten in der Verdichtereinheit 34a. Insbesondere wird das sauerstoffhaltige Fluid 16a in der Brennkammer 18a mit dem Brennstoff 14a vermischt. Bei der Umsetzung 28a der Mischung aus Brennstoff 14a und sauerstoffhaltigem Fluid 16a heizt sich das entstehende Abgas 24a auf, beispielsweise auf Temperaturen T zwischen 1600°C und 2000°C. Insbesondere startet in der Brennkammer 18a die Wärmeübertragung 48a an das Brauchfluid, insbesondere durch Wärmestrahlung, über die Wandung der Heizkessels 36a. Beispielsweise tritt das Abgas 24a in den Abzugskanal 38a mit einer Temperatur T zwischen 1000°C und 1400°C ein. Vorzugsweise wird das Abgas 24a während der Wärmeübertragung 48a, bevor es in die Turbineneinheit 42a eintritt, mittels des Wärmeübertragers 40a vorgekühlt, beispielsweise auf eine Temperatur T zwischen 600°C und 800°C. Bei dem Entspannen 52a des Abgases 24a mittels der Turbineneinheit 42a wird der Überdruck auf einen Restüberdruck, beispielsweise zwischen 0,25 bar und 0,5 bar reduziert. Insbesondere sinkt bei dem Entspannen 52a die Temperatur T auf 500°C bis 600°C. Insbesondere wird der Restüberdruck genutzt, um das Abgas 24a für die Wärmeübertragung 50a durch den weiteren Wärmeübertrager 46a zu fördern. Vorzugsweise wird das Abgas 24a, insbesondere aufgrund des Restüberdrucks, mit Geschwindigkeiten von über 50 m/s, bevorzugt von mehr als 75 m/s, besonders bevorzugt von zumindest 95 m/s, durch den weiteren Wärmeübertrager 46a gefördert. Vorzugsweise wird das Abgas 24a bei der Wärmeübertragung 50a mittels des weiteren Wärmeübertragers 46a auf eine Temperatur T zwischen 200°C und 300°C abgekühlt.
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In der 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 4, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 4 nachgestellt. In dem Ausführungsbeispiel der 5 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b ersetzt.
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5 zeigt ein Verfahren 10b zum Betrieb einer Heizvorrichtung. In zumindest einem Verfahrensschritt wird eine Mischung aus einem Brennstoff 14b und einem sauerstoffhaltigen Fluid 16b in einer statischen, insbesondere kolbenlosen, Brennkammer der Heizvorrichtung unter Abgabe von Wärme 20b, 22b zu einem Abgas 24b umgesetzt. Die abgegebene Wärme 20b, 22b wird zumindest teilweise auf ein Brauchfluid übertragen. In zumindest einem Verfahrensschritt wird das sauerstoffhaltige Fluid 16b zu einer Aufladung der Heizvorrichtung verdichtet. In zumindest einem Verfahrensschritt wird ein Mischen des Brennstoffs 14b und des sauerstoffhaltigen Fluids 16b vor einem Verdichten 26b des sauerstoffhaltigen Fluids 16b durchgeführt. Insbesondere wird während des Verdichtens 26b die Mischung aus dem Brennstoff 14b und dem sauerstoffhaltigen Fluid 16b verdichtet. In zumindest einem Verfahrensschritt wird ein weiteres Verdichten 32b des sauerstoffhaltigen Fluids 16b, insbesondere der Mischung aus dem Brennstoff 14b und dem sauerstoffhaltigen Fluid 16b, gleichzeitig mit und/oder nach einem Verdichten 26b des sauerstoffhaltigen Fluids 16b durchgeführt. Beispielsweise wird das Verdichten 26b und das weitere Verdichten 32b mittels einer mehrstufigen Verdichtereinheit der Heizvorrichtung durchgeführt. Vorzugsweise wird das Abgas 24b über ein weiteres Entspannen 54b entspannt, insbesondere mittels einer mehrstufigen Turbineneinheit der Heizvorrichtung. Vorzugsweise wird eine Energie für das weitere Verdichten 32b aus dem weiteren Entspannen 54b gewonnen. Beispielsweise wird eine Energieübertragung 31b von der Turbineneinheit auf die Verdichtereinheit mittels einer weiteren mechanischen Welle realisiert.
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Hinsichtlich weiterer Merkmale und/oder Funktionen des Verfahrens 10b darf auf die Beschreibung der 1 bis 4 verwiesen werden.
