EP1862733A1 - Quick steam generator - Google Patents

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Publication number
EP1862733A1
EP1862733A1 EP06405468A EP06405468A EP1862733A1 EP 1862733 A1 EP1862733 A1 EP 1862733A1 EP 06405468 A EP06405468 A EP 06405468A EP 06405468 A EP06405468 A EP 06405468A EP 1862733 A1 EP1862733 A1 EP 1862733A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
porous body
medium
steam generator
evaporated
generator according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06405468A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Manlio Molinari
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication of EP1862733A1 publication Critical patent/EP1862733A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F22B1/1853—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines coming in direct contact with water in bulk or in sprays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B27/00—Instantaneous or flash steam boilers
    • F22B27/16—Instantaneous or flash steam boilers involving spray nozzles for sprinkling or injecting water particles on to or into hot heat-exchange elements, e.g. into tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/003—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0061—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for phase-change applications
    • F28D2021/0064—Vaporizers, e.g. evaporators

Definitions

  • the designated with 1 porous body is formed in the particular embodiment shown in FIG. 1 as an annular cylinder body with annular top. It should be noted here that the porous body 1 in the context of the present invention may also have other shapes (square, oval, conical). It is clear that the shape chosen for the porous body 1, which forms the heart of the steam generator, can influence the whole design of the construction of the steam generator. The shape of the annular cylinder chosen for the example shown in Fig. 1 has obvious structural advantages and can therefore be considered as a preferred embodiment.
  • the porous body 1 according to a preferred embodiment of porous ceramic material of the kind as it is used for burners for example, methane gas, natural gas, fuel oil, etc.
  • a nikwringförmiger gap 6 Between the shell 2 and the shell 3 is a Vietnamese nikwringförmiger gap 6, whose function is the preheating of the medium to be evaporated. This satisfies the entire gap 6 in which it passes via the supply line 7, which feeds the medium to be evaporated by means of a suitable pump 8 and which is provided with a regulating valve 9, with which the amount of the medium to be evaporated - manually or automatically - regulated and the desired amount of steam and / or the caloric capacity of the device can be adjusted.
  • the amount of the medium to be evaporated is regulated according to the requirements, while by means of the valve 18, the composition and the temperature of the hot fluid for heating the porous body 1 is regulated in a suitable manner.
  • the output line 22 for the generated steam is connected, the steam discharge amount and thus the pressure in the gap 24 between the upper part of the porous body 1 and the lid 4 is regulated by means of a valve 23.
  • the lid 4 is also provided with a safety valve 25 which opens if the pressure in the space 24 should exceed a permissible level.
  • the steam generator according to the invention operates as follows: As already mentioned, the medium to be evaporated is sprayed through the nozzles 16 onto the input surface - in the case shown in FIG. 1, the cylindrical surface of the interior of the annular body forming the porous body 1 , but in forms of realization of various education could also be formed by differently shaped entry surfaces - the porous body 1 nebulized.
  • the temperature of the hot fluid is preferably higher than 1200 ° C, measured in its entrance zone into the porous body.
  • porous body 1 must be able to withstand such temperatures for a long time and also endure inevitable thermal overshoots (excursions) during shutdown periods of the steam generator.
  • An absolutely suitable material for this purpose is now commercially available, from which also the porous ceramic body, which are used for the burners in modern heating systems for the combustion of heating oil, methane, natural gas, etc., are used.
  • the amount of exhaust gas in relation to the amount of steam generated is very low and does not cause any special disturbances.
  • the advantage lies in the fact that practically the entire amount of energy of the exhaust gases benefits the consumer without special contamination problems occurring in the porous body 1.
  • the medium to be evaporated is pre-heated in the annular space 6 before atomization in the nozzles 16 and 19. To avoid unnecessary heat loss, the entire outer shell 3 can be suitably isolated.
  • the arrangement of the basic elements of the fast steam generator according to the invention can vary considerably within the scope of the present invention.
  • the shape, the dimensions and the porosity of the porous body 1 may vary, as well as its spatial arrangement (horizontal orientation of the axis, rotation through 180 °, position of the nozzles 16 relative to the porous body 1, etc.).
  • What counts, however, is the fundamental idea that the medium to be evaporated and the hot fluid inside a porous body 1 meet directly, whose function is ultimately only the distribution of the two media on a much larger meeting surface.

Abstract

Rapid steam generator comprises a porous body (1) that is heated by a hot fluid flowing through the porous body in a direction perpendicular to the penetration direction of a medium to be vaporized. At least one part of the medium to be vaporized is atomized by spraying onto the entry surface of the porous body. Preferred Features: The body is made of a porous ceramic material. The medium to be vaporized is water or a non-explosive liquid. The hot fluid is an exhaust gas from an internal combustion engine or heating system with a temperature of more than 1200[deg] at the point of entry into the porous body.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen schnellen Dampferzeuger gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a fast steam generator according to the preamble of patent claim 1.

Bevor auf die Beschreibung von Zweck und vorgesehene Lösungen der vorliegenden Erfindung eingegangen wird, seien einige grundsätzliche Konzepte erläutert, auf denen die vorliegende Erfindung basiert.Before going into the description of purpose and intended solutions of the present invention, some basic concepts will be explained on which the present invention is based.

Unter dem Begriff eines Mediums zum Verdampfen ist dabei jedwelche Art von Flüssigkeit zu verstehen, die in ein Gas oder einen Dampf umgewandelt werden soll. Selbstverständlich ist Wasser, wegen seiner bekannten Eigenschaften der Wirtschaftlichkeit, Wiedergewinnbarkeit, Reinheit, usw., ein bevorzugtes Medium für eine Verdampfung. Doch je nach dem Gebrauch, der vom erfindungsgemässen Dampfgenerator gemacht werden soll (insbesondere wo von praktischen Anwendungsmöglichkeiten die Rede sein wird), können auch andere Medien irgendwelcher Art, d.h. jede Art chemischer Zusammensetzung in flüssiger Form in Betracht gezogen werden.The term of a medium for evaporation is to be understood as meaning any kind of liquid which is to be converted into a gas or a vapor. Of course, water, because of its known properties of economy, recoverability, purity, etc., is a preferred medium for evaporation. However, depending on the use to be made of the steam generator according to the invention (in particular where there will be practical applications), other media of any kind, i. any kind of chemical composition in liquid form should be considered.

Unter heissem Fluidum ist in der nachfolgenden Beschreibung irgendein Gas oder Dampf zu verstehen, unabhängig von seiner Herkunft. Dabei kann es sich um warme Luft handeln, die in einem Wärmetauscher erhitzt wurde, oder um irgendein Gas mit genügend hoher Temperatur, welche das Funktionieren des Apparates sicherstellt, und das von Verunreinigungen genügend frei ist, um sicherzustellen, das der Apparat nicht verschmutzt. Die Abgase von Verbrennungsmotoren, allenfalls gereinigt, stellen ein bevorzugtes Beispiel eines solchen heissen Fluidums dar.By hot fluid is meant in the following description any gas or vapor, regardless of its origin. This may be warm air that has been heated in a heat exchanger, or any sufficiently high temperature gas that will ensure the functioning of the apparatus and that is sufficiently free of contaminants to ensure that the apparatus is not contaminated. The exhaust gases of internal combustion engines, cleaned if necessary, represent a preferred example of such a hot fluid.

Unter einem porösem Körper ist sodann irgendeine Art eines porösen Körpers zu verstehen, der die hohe Temperaturen des heissen Fluidums auszuhalten vermag (beispielsweise höher als 1200 °C), und der eine Porosität aufweist, die in idealer Weise sicherstellt, dass das zu verdampfende Medium und das heisse Fluidum in direkten Kontakt miteinander treten können. Solche poröse Körper sind gemäss dem Stand der Technik bekannt und können aus aufgeschmolzenen oder gesinterten Metallen, oder aus Komposit-Materialien und insbesondere aus porösem Keramikmaterial bestehen. Auch ein aus feinen Lamellen bestehender Körper kann im Sinn der vorliegenden Erfindung als poröser Körper betrachtet werden.A porous body is then understood to mean any kind of porous body capable of withstanding the high temperatures of the hot fluid (for example, higher than 1200 ° C) and having a porosity which ideally ensures that the medium to be vaporized and the hot fluid can come into direct contact with each other. Such porous bodies are known in the art and can be melted from or sintered metals, or of composite materials and in particular of porous ceramic material. Also, a body made of fine fins can be regarded as a porous body in the sense of the present invention.

Wenn die Rede von einem "schnellen" Dampferzeuger die Rede ist, gilt es zu unterstreichen, dass der erfindungsgemässe Dampferzeuger wenig Zeit benötigen soll (in der Regel bloss wenige Sekunden), um die Dampfproduktion zu beginnen, wenn er in Betrieb gesetzt wird, und dies im Unterschied zu den bekannten Lösungen für Dampferzeuger, die eine lange Aufwärmzeit verlangen. Unter "schnell" ist also "annähernd augenblicklich" zu verstehen.When talking about a "fast" steam generator, it should be emphasized that the steam generator according to the invention should require little time (usually only a few seconds) to start steam production when it is put into operation in contrast to the known solutions for steam generators, which require a long warm-up time. By "fast" is meant "almost instantaneously".

Gemäss dem Stand der Technik und aus der Praxis ist die Verwendung metallischer oder keramischer poröser Körper für verschiedenste Anwendungen bekannt. Unter diesen sind auch Anwendungen wie Wärmetauscher bekannt, Brenner für Brennstoffe, und auch die Anwendung für Dampferzeuger. Hier ist natürlich lediglich die letzter Anwendung von Interesse, wegen des gleichen Anwendungszwecks; die andern Anwendungsformen verdienen jedoch insofern Erwähnung, als sie die vielseitige Verwendbarkeit poröser Körper und insbesondere jener aus keramischen Werkstoffen unterstreichen.According to the prior art and practice, the use of metallic or ceramic porous body for a variety of applications is known. Among these are also known applications such as heat exchangers, burners for fuels, and also the application for steam generators. Here, of course, only the last application of interest, because of the same purpose of use; however, the other applications deserve mention in that they emphasize the versatility of porous bodies, and especially those of ceramic materials.

Als Beispiele von Wärmetauschern, in den poröses Material (wobei es sich 1967 nur um ein poröses Metall handeln konnte, da damals poröse Keramikwerkstoffe noch gar nicht entwickelt waren) Verwendung findet, sei beispielsweise die US-3'433'299 zitiert, in welcher ein Wärmetauscher beschrieben ist, der die Übertragung von Wärme zwischen zwei Fluida im Gegenstrom ermöglicht, die jedoch strikt von einander getrennt gehalten werden. Die Verwendung poröser (metallischer) Körper bezweckt sicher eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades des Wärmetauschers und somit letztendlich eine Verkleinerung der Abmessungen des Wärmetauscheres. Auch die WO-86/02016 beschreibt einen Wärmetauscher, in welchem ein poröser Körper aus metallischen Partikeln verwendet wird, in welchem für Gase undurchlässige Kanäle vorhanden sind. Auch in diesem Wärmetauscher, der übrigens als katalytischer Reaktor bezeichnet ist, wird dafür gesorgt, dass die beiden Fluida, zwischen denen der Wärmetausch stattfinden soll, getrennt gehalten werden. Zudem findet sich keine Andeutung, dass allenfalls ein keramischer Werkstoff als poröser Werkstoff verwendet werden könnte.As examples of heat exchangers in which porous material (which in 1967 could only be a porous metal since porous ceramic materials were not yet developed at that time) is used, for example, US Pat US 3'433'299 cited, in which a heat exchanger is described, which allows the transfer of heat between two fluids in countercurrent, but which are kept strictly separated from each other. The use of porous (metallic) body certainly aims to improve the thermal efficiency of the heat exchanger and thus ultimately a reduction in the dimensions of the heat exchanger. Also the WO-86/02016 describes a heat exchanger in which a porous body of metallic particles is used, in which gas-impermeable channels available. Also in this heat exchanger, which incidentally is referred to as a catalytic reactor, it is ensured that the two fluids, between which the heat exchange is to take place, are kept separate. In addition, there is no hint that at most a ceramic material could be used as a porous material.

Eine sehr ähnliche Situation ist sodann in der US-6'119'457 beschrieben, in welcher anstatt eines Wärmetauschers, dessen Haupteigenschaft die Verwendung eines perfektionierten keramischen Motors mit porösem Material, der mit zwei Wärmetauschern und einer Dampfturbine zusammenarbeitet. Auch hier werden die Fluida, zwischen welchen der Wärmetausch stattfinden soll, jedoch strikte voneinander getrennt gehalten.A very similar situation is then described in US-6'119'457, in which instead of a heat exchanger, the main feature of which is the use of a perfected porosity porous ceramic motor which cooperates with two heat exchangers and a steam turbine. Again, the fluids between which the heat exchange is to take place, but kept strictly separated.

Auch sind schnelle Dampferzeuger bekannt, in denen ein erhitzter poröser Körper erwendet wird, durch welchen das zu verdampfende Fluidum strömt. Die DE-3630546 beispielsweise zeigt einen ähnlichen Wärmeerzeuger, der für die diskontinuierliche Dampfentnahme vorgesehen ist - wofür das Dampfbügeleisen ein klassisches Beispiel ist - in welchem ein Block aus Sintermetall beispielsweise elektrisch bis auf eine vorausbestimmte Temperatur erhitzt wird. Eine andere Art der Beheizung des Blockes aus Sintermetall wird nicht gezeigt. Somit soll hier die grosse Wärmekapazität des Blockes aus Sintermetall ausgenützt werden, um die erforderliche Wärmemenge bereitzustellen, welche die Erzeugung der kurzen "Dampfstösse" ermöglicht, welche den Zweck der Erfindung darstellen. Eine analoge Situation findet sich in der DE-2448732 , in welcher als Wärmequelle zum Beheizen des porösen Körpers - in diesem Fall aus Keramikmaterial - jedoch vorgesehen ist, dass Mikrowellen verwendet werden, die mittels geeigneten Elektroden erzeugt werden. Die zu verdampfende Flüssigkeit wird auf die Oberfläche des porösen Körpers aus Keramikmaterial gesprüht.Also, fast steam generators are known in which a heated porous body is used, through which flows the fluid to be evaporated. The DE-3630546 for example, shows a similar heat generator provided for the discontinuous steam extraction - for which the steam iron is a classic example - in which a block of sintered metal, for example, is electrically heated to a predetermined temperature. Another way of heating the block of sintered metal is not shown. Thus, the large heat capacity of the block of sintered metal is to be exploited here in order to provide the required amount of heat, which enables the generation of the short "bursts of steam", which constitute the purpose of the invention. An analogous situation can be found in the DE-2448732 in that as a heat source for heating the porous body - in this case made of ceramic material - but is provided that microwaves are generated, which are produced by means of suitable electrodes. The liquid to be evaporated is sprayed onto the surface of the porous body of ceramic material.

Auch in der EP-1134493 , in welcher ein Dampferzeuger zur Verwendung im Produktionsprozess integrierter Halbleiter-Schalkreise beschrieben ist, wird die Verwendung von Mikrowellen zum Erhitzen des Wassers vorgesehen, das durch einen strukturierten (im wesentlichen porösen) Körper strömt.Also in the EP-1134493 , in which a steam generator for use in the production process of integrated semiconductor circuits is described, the Use of microwaves for heating the water flowing through a structured (substantially porous) body.

Alle oben beschriebenen Systeme zum schnellen Verdampfen eines zu verdampfenden Fluidums sehen also vor, dass der poröse Körper mittels konvektiver Energiezufuhr erhitzt wird, oder im Fall des Verdampfens von Wasser, mittels des bekannten, von Mikrowellen erzeugten Heizeffektes erhitzt wird. Dabei handelt es sich um relativ komplizierte und kostspielige Lösungen, da äussere Energiequellen (elektrische Widerstände, Mikrowellengenerator) gebraucht werden, und da deren Schnelligkeit der Reaktion zumindest fraglich ist.All of the above-described systems for rapidly vaporizing a fluid to be vaporized thus provide that the porous body is heated by means of convective energy supply or, in the case of evaporation of water, is heated by means of the known heating effect generated by microwaves. These are relatively complicated and costly solutions, since external energy sources (electrical resistors, microwave generator) are needed and their speed of reaction is at least questionable.

Zweck der vorliegende Erfindung ist, die Nachteile der bekannten Lösungen auszuschalten und einen schnellen Dampferzeuger zu schaffen, der auf einem neuen Funktionskonzept basiert, nämlich darauf, dass das zu verdampfende Medium direkt auf das heisse Fluidum, das den porösen Körper erhitzt, trifft und sich damit vermischt, wie dies im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 vorgesehen ist.Purpose of the present invention is to eliminate the disadvantages of the known solutions and to provide a fast steam generator based on a new functional concept, namely, that the medium to be evaporated directly on the hot fluid that heats the porous body, and thus mixed, as provided in the characterizing part of claim 1.

Dank dieser erfindungsgemässen Eigenschaft wird erreicht, dass der Dampferzeuger schnellstmöglich reagiert, nämlich angenähert augenblicklich, weil die Verdampfung des zu verdampfenden Mediums infolge des direkten Kontakts mit dem heissen Fluidum erfolgt, ohne dass zuerst ein dazwischen liegender Körper aufgeheizt werden muss. In diesem Sinne kann auch festgestellt werden, dass die hauptsächliche Funktion des porösen Körpers im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht das Aufheizen des zu verdampfenden Mediums ist, sondem das Verteilen dieses Mediums auf eine grosse Oberfläche, um damit dem heissen Fluidum eine grosse Oberfläche anzubieten, auf der es mit dem zu verdampfenden Medium direkt in Kontakt treten und ihm die erforderliche Wärmemenge abgeben kann.Thanks to this inventive property ensures that the steam generator reacts as quickly as possible, namely approximately instantaneously, because the evaporation of the medium to be evaporated is due to the direct contact with the hot fluid, without first an intermediate body must be heated. In this sense, it can also be stated that the main function of the porous body in the present invention is not the heating of the medium to be evaporated, but the distribution of this medium on a large surface in order to offer the hot fluid a large surface on it can come into direct contact with the medium to be evaporated and give it the required amount of heat.

Zur Realisierung diese Konzeptes sieht die vorliegende Erfindung vor, dass der poröse Körper mittels eines heissen Fluidums aufgeheizt wird, das ihn in einer Richtung durchströmt, die im wesentlichen im rechten Winkel zur Richtung verläuft, in der das zu verdampfende Medium den porösen Körper durchströmt. Ebenfalls ist vorgesehen, dass mindestens ein Teil des zu verdampfenden Mediums durch Aufsprühen auf die Eintritts-Oberfläche des porösen Körpers vernebelt wird.To realize this concept, the present invention provides that the porous body is heated by means of a hot fluid, which in him flows through a direction which is substantially at right angles to the direction in which the medium to be evaporated flows through the porous body. It is also provided that at least a portion of the medium to be evaporated is atomized by spraying onto the entrance surface of the porous body.

In den Ansprüchen 2 bis 8 sind sodann bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Konzeptes beschrieben, die im folgenden Teil der Beschreibung anhand einer besonderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegende Erfindung näher beschrieben werden.In the claims 2 to 8 then preferred embodiments of the inventive concept are described, which are described in more detail in the following part of the description with reference to a particular preferred embodiment of the present invention.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf ein in der Fig. 1 illustriertes Ausführungsbeispiel näher beschrieben, in welcher ein Dampferzeuger im Aufriss und im Schnitt dargestellt ist.The present invention will be described in more detail below with reference to an embodiment illustrated in FIG. 1, in which a steam generator is shown in elevation and in section.

Der mit 1 bezeichnete poröse Körper ist in der Fig. 1 gezeigten besonderen Ausführungsform als ringförmiger Zylinderkörper mit kreisringförmiger Oberseite ausgebildet. Dabei sei schon hier festgestellt, dass der poröse Körper 1 im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Formen aufweisen kann (quadratisch, oval, konisch). Klar ist, dass die Form, die für den porösen Körper 1 gewählt wird, der das Herzstück des Dampferzeugers bildet, die ganze Auslegung der Konstruktion des Dampferzeugers beeinflussen kann. Die für das in der Fig. 1 gezeigte Beispiel gewählte Form des ringförmigen Zylinders weist offensichtliche konstruktive Vorteile auf und kann daher als eine bevorzugte Ausführungsform betrachtet werden. Der poröse Körper 1 besteht gemäss einer bevorzugten Ausführungsform aus porösem Keramikmaterial der Art, wie es für Brenner für beispielsweise Methangas, Erdgas, Heizöl, usw., gebraucht wird.The designated with 1 porous body is formed in the particular embodiment shown in FIG. 1 as an annular cylinder body with annular top. It should be noted here that the porous body 1 in the context of the present invention may also have other shapes (square, oval, conical). It is clear that the shape chosen for the porous body 1, which forms the heart of the steam generator, can influence the whole design of the construction of the steam generator. The shape of the annular cylinder chosen for the example shown in Fig. 1 has obvious structural advantages and can therefore be considered as a preferred embodiment. The porous body 1 according to a preferred embodiment of porous ceramic material of the kind as it is used for burners for example, methane gas, natural gas, fuel oil, etc.

Der poröse Körper 1 ist in einem zylindrischen Mantel 2 untergebracht, der unten konisch eingezogen ist und eine Eintrittsöffnung für ein heisses Fluidum bildet, das wie mit dem Pfeil f angedeutet von unten herkommt. Der Mantel 2 seinerseits ist in einer äusseren Hülle 3 untergebracht, die oben mit einem Deckel 4 abgeschlossen ist, welcher eine Austrittsöffnung 5 für den erzeugten Dampf und für das heisse Fluidum aufweist, wie dies weiter unten erklärt wird.The porous body 1 is housed in a cylindrical shell 2, which is conical at the bottom and forms an inlet opening for a hot fluid, which comes from below as indicated by the arrow f. The jacket 2 in turn is housed in an outer shell 3, the top with a Cover 4 is closed, which has an outlet opening 5 for the generated steam and for the hot fluid, as will be explained below.

Zwischen dem Mantel 2 und der Hülle 3 liegt ein kreiswringförmiger Zwischenraum 6, dessen Funktion das Vorheizen des zu verdampfenden Mediums ist. Dieses erfüllt den ganzen Zwischenraum 6 in den es via die Zuleitung 7 gelangt, welche das zu verdampfende Medium mittels einer geeigneten Pumpe 8 einspeist und die mit einem Regulierventil 9 versehen ist, mit welchem die die Menge des zu verdampfenden Mediums - manuell oder automatisch - reguliert und der gewünschten Dampfmenge und/oder der kalorischen Kapazität der Vorrichtung angepasst werden kann.Between the shell 2 and the shell 3 is a kreiswringförmiger gap 6, whose function is the preheating of the medium to be evaporated. This satisfies the entire gap 6 in which it passes via the supply line 7, which feeds the medium to be evaporated by means of a suitable pump 8 and which is provided with a regulating valve 9, with which the amount of the medium to be evaporated - manually or automatically - regulated and the desired amount of steam and / or the caloric capacity of the device can be adjusted.

Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem Mantel 2 und dem zu verdampfenden Medium, das den ganzen Zwischenraum 6 erfüllt, ist diese mit Lamellen 10 versehen, die auch in Form eines einzigen metallischen Geflechts aufweisen können, das wendelförmig um den Mantel 2 gewickelt ist. Der kreisringförmige Zwischenraum 6 ist unten geschlossen und ist im obern Teil mit einem Austrittsrohr 11 versehen , das sich beim Punkt 12 in einen nach unten führenden Ast 13 und einen nach oben führenden Ast 14 verzweigt, welch letzterer sich nach einer Kehrtwendung um 180° ins Zentrum, also in koaxialer Verbindung mit dem porösen Körper 1 erstreckt. In seinem absteigenden Ast 15, innerhalb des porösen Körpers 1, weist die Leitung 14 eine Reihe von Sprühdüsen 16 auf, die regelmässig über die ganze Länge verteilt sind (wobei in der Abbildung insgesamt 14 dargestellt sind, während in Wirklichkeit eine kleinere oder auch eine viel grössere Zahl von Düsen auch über den Umfang der Leitung 15 verteilt sein können). Zwischen einem Ventil 16 (bzw. einem Kranz von auf gleicher Höhe über den Umfang der Leitung verteilten Ventilen 16) und dem (oben oder unten) benachbarten Ventil kann ein Trennring 17 angebracht sein, der eine Art Labyrinthdichtung bildet, um die Verteilung des von den Sprühdüsen 16 versprühten zu verdampfenden Mediums im Innenraum des porösen Körpers 1 zu verbessern und um zu verhindern, dass das heisse Fluidum durch den Innenraum des porösen Körpers 1 durchtreten kann.To improve the heat transfer between the jacket 2 and the medium to be evaporated, which satisfies the entire gap 6, this is provided with lamellae 10, which may also have the form of a single metallic braid which is wound helically around the shell 2. The annular space 6 is closed at the bottom and is provided in the upper part with an outlet tube 11, which branches at point 12 in a downwardly leading branch 13 and an upwardly leading branch 14, the latter after a turn around 180 ° to the center , So in coaxial connection with the porous body 1 extends. In its descending branch 15, within the porous body 1, the conduit 14 has a series of spray nozzles 16 distributed regularly over its entire length (a total of 14 being shown in the figure, while in reality a smaller one or a much larger one) larger number of nozzles can be distributed over the circumference of the line 15). Between a valve 16 (or a ring of equally distributed over the circumference of the line valves 16) and the (top or bottom) adjacent valve, a separator ring 17 may be attached, which forms a kind of labyrinth seal to the distribution of the Spray nozzles 16 sprayed to improve the evaporating medium in the interior of the porous body 1 and to prevent the hot fluid can pass through the interior of the porous body 1.

Die absteigende Leitung 13 ihrerseits führt via ein Regulierventil 18 zu einem Kranz von Düsen 19, die längs des Randes des unteren konischen Teils der zylindrischen Hülle 2 verteilt sind, mittels welchen ein Teil des zu verdampfenden Mediums auf die offene Eingangszone 20 der Hüllenkammer 2 gesprüht werden kann. Die absteigende Leitung 15 ist an ihrem unteren Ende geschlossen und weist einen Führungskörper 21 für das heisse Fluidum auf. Mittels der Pumpe 8 wird das zu verdampfende Medium (beispielsweise Wasser) eingepresst (in flüssiger Form), so dass es unter Druck den ganzen kreisringförmigen Zwischenraum 6 und die Leitungen 7, 11, 13, 14 und 15 erfüllt, in solcher Weise, dass das zu verdampfende Medium vernebelt aus den Düsen 16 der Leitung 15 sowie aus den Düsen 19 der Eintrittszone 20 austritt.The descending duct 13 in turn leads via a regulating valve 18 to a ring of nozzles 19 distributed along the edge of the lower conical part of the cylindrical shell 2, by means of which a part of the medium to be evaporated is sprayed onto the open inlet zone 20 of the shell chamber 2 can. The descending duct 15 is closed at its lower end and has a guide body 21 for the hot fluid. By means of the pump 8, the medium to be evaporated (for example, water) is pressed (in liquid form) so that it under pressure, the entire annular space 6 and the lines 7, 11, 13, 14 and 15 fulfilled, in such a way that the atomized to be evaporated from the nozzles 16 of the line 15 and from the nozzles 19 of the inlet zone 20 exits.

Mittels des Regulierventils 9 wird die Menge des zu verdampfenden Mediums entsprechend den Erfordernissen reguliert, während mittels des Ventils 18 die Zusammensetzung und die Temperatur des heissen Fluidums zur Beheizung des porösen Körpers 1 in geeigneter Weise reguliert wird.By means of the regulating valve 9, the amount of the medium to be evaporated is regulated according to the requirements, while by means of the valve 18, the composition and the temperature of the hot fluid for heating the porous body 1 is regulated in a suitable manner.

An die Ausgangsöffnung 5 des Deckels 4 ist die Ausgangsleitung 22 für den erzeugten Dampf angeschlossen, wobei die Dampf-Ausgabemenge und somit der Druck im Zwischenraum 24 zwischen dem obern Teil des porösen Körpers 1 und dem Deckel 4 mittels eines Ventils 23 reguliert wird. Der Deckel 4 ist auch mit einem Sicherheitsventil 25 versehen, das sich öffnet, falls der Druck im Zwischenraum 24 ein zulässiges Mass übersteigen sollte.To the output port 5 of the lid 4, the output line 22 for the generated steam is connected, the steam discharge amount and thus the pressure in the gap 24 between the upper part of the porous body 1 and the lid 4 is regulated by means of a valve 23. The lid 4 is also provided with a safety valve 25 which opens if the pressure in the space 24 should exceed a permissible level.

Der erfindungsgemässe Dampferzeuger funktioniert wie folgt: Wie bereits erwähnt, wird das zu verdampfende Medium durch Versprühen durch die Düsen 16 auf die Eingangsoberfläche - in dem in der Fig. 1 dargestellten Fall die zylindrische Oberfläche des Innenraums des ringförmigen Körpers, der den porösen Körper 1 bildet, die aber in Realisierungsformen verschiedener Ausbildung auch von anders ausgebildeten Eintrittsoberflächen gebildet werden könnten - des porösen Körpers 1 vernebelt.The steam generator according to the invention operates as follows: As already mentioned, the medium to be evaporated is sprayed through the nozzles 16 onto the input surface - in the case shown in FIG. 1, the cylindrical surface of the interior of the annular body forming the porous body 1 , but in forms of realization of various education could also be formed by differently shaped entry surfaces - the porous body 1 nebulized.

Das Erhitzen des porösen Körpers 1erfolgt, weil ein heisses Fluidum (beispielsweise ein Gas bei hoher Temperatur, und insbesondere gemäss einer bevorzugten Anwendungsform des erfindungsgemässen Dampferzeugers, die Abgase eines Verbrennungssystems, wie beispielsweise eines Explosionsmotors oder einer Heizanlage) von unten her unter Druck durch die Eingangsöffnung 20 in den porösen Körper gepresst wird, wie dies mit dem Pfeil f angedeutet ist, und diesen in vertikaler Richtung durchströmt (parallel zur Achse h-h des porösen Körpers 1, der im besonderen Fall der Fig. 1 die Form eines ringförmigen Zylinderkörpers aufweist), und das aus der Oberfläche des porösen Körpers 1 in den Zwischenraum 24 austritt. Während des Durchquerens des porösen Körpers 1, der sich dabei im Kontakt mit dem heissen Fluidum erhitzt, tritt dieses auch mit dem zu verdampfenden Medium direkt in Kontakt, das dadurch augenblicklich verdampft, wobei auch in Rechnung zu stellen ist, dass die Temperatur des heissen Fluidums vorzugsweise höher als 1200°C ist, gemessen in seiner Eintrittszone in den porösen Körper 1.The heating of the porous body 1 is carried out from below under pressure through the inlet opening because a hot fluid (for example a gas at high temperature, and in particular according to a preferred embodiment of the steam generator according to the invention, the exhaust gases of a combustion system such as an explosion engine or a heating system) 20 is pressed into the porous body, as indicated by the arrow f, and flows through it in a vertical direction (parallel to the axis hh of the porous body 1, which in the particular case of Figure 1 has the shape of an annular cylinder body), and which exits the surface of the porous body 1 in the space 24. During the passage through the porous body 1, which in this case heats up in contact with the hot fluid, it also comes into direct contact with the medium to be evaporated, which evaporates instantaneously, it also having to be taken into account that the temperature of the hot fluid is preferably higher than 1200 ° C, measured in its entrance zone into the porous body. 1

Es liegt auf der Hand, dass das Material, aus dem der poröse Körper 1 besteht, im Stande sein muss, solche Temperaturen über längere Zeit auszuhalten und auch unvermeidliche thermisches Überschiessen (Exkursionen) während Abstellphasen des Dampferzeugers zu ertragen. Ein für diesen Zweck absolut geeignetes Material ist heute im Handel erhältlich, aus dem auch die porösen Keramikkörper bestehen, die für die Brenner in modernen Heizanlagen zur Verbrennung von Heizöl, Methan, Erdgas, usw., angewendet werden.It is obvious that the material constituting the porous body 1 must be able to withstand such temperatures for a long time and also endure inevitable thermal overshoots (excursions) during shutdown periods of the steam generator. An absolutely suitable material for this purpose is now commercially available, from which also the porous ceramic body, which are used for the burners in modern heating systems for the combustion of heating oil, methane, natural gas, etc., are used.

Auch können mit einigem Erfolg für den Zweck der vorliegenden Erfindung auch andere Arten von porösen Körpern 1 verwendet werden, wie beispielsweise Sintermetalle aus Edelmetallen, Komposit-Materialien, usw.Also, with some success for the purpose of the present invention, other types of porous bodies 1 may also be used, such as precious metal sintered metals, composite materials, etc.

Eine grundlegende Eigenschaft ist jedoch, dank ihrer Neuartigkeit, dass das zu verdampfende Medium und das heisse Fluidum direkt miteinander in Kontakt treten, und nicht indirekt durch eine Trennwand aufeinander wirken. Dies bedeutet, dass mit dem erfindungsgemässen Apparat die Verdampfung angenähert augenblicklich erfolgt. Dabei ist natürlich in Erinnerung zu behalten, dass im Dampf, der aus dem porösen Körper 1 austritt und via die Austrittsleitung 22 abgeführt wird, auch das heisse Fluidum enthalten ist: Dabei handelt es sich um ein Gemisch von Dampf und Gas, dessen Zusammensetzung zu berücksichtigen ist, wenn die vorgesehene Anwendung des erzeugten Dampfs (bzw. des Gemisches) festgelegt wird.However, a fundamental characteristic, thanks to its novelty, is that the medium to be evaporated and the hot fluid contact each other directly, and not indirectly through a partition. This means that the evaporation takes place approximately instantaneously with the apparatus according to the invention. It is of course to be remembered that in the steam exiting from the porous body 1 and is discharged via the outlet line 22, the hot fluid is also included: It is a mixture of steam and gas to consider its composition is when the intended application of the generated steam (or the mixture) is determined.

Im Fall der Abgase einer Verbrennungsanlage hat sich gezeigt, dass die Abgasmenge im Verhältnis zur erzeugten Dampfmenge sehr gering ist und keine besonderen Störungen verursacht. Der Vorteil liegt jedoch darin, dass praktisch die gesamte Energiemenge der Abgase dem Verbraucher zu Gute kommt, ohne dass im porösen Körper 1 besondere Verschmutzungsprobleme auftreten. Es ist auch festzustellen, dass das zu verdampfende Medium vor der Vernebelung in den Düsen 16 und 19 im ringförmigen Zwischenraum 6 vorgewärmt wird. Zum Vermeiden unnötiger Wärmeverluste kann die ganze äussere Hülle 3 in geeigneter Weise isoliert werden.In the case of the exhaust gases of an incinerator, it has been found that the amount of exhaust gas in relation to the amount of steam generated is very low and does not cause any special disturbances. However, the advantage lies in the fact that practically the entire amount of energy of the exhaust gases benefits the consumer without special contamination problems occurring in the porous body 1. It should also be noted that the medium to be evaporated is pre-heated in the annular space 6 before atomization in the nozzles 16 and 19. To avoid unnecessary heat loss, the entire outer shell 3 can be suitably isolated.

Die Anordnung der Grundelemente des erfindungsgemässen schnellen Dampferzeugers kann innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung beträchtlich variieren. So können die Formgebung, die Abmessungen und die Porosität des porösen Körpers 1 variieren, auch seine räumliche Anordnung (horizontale Ausrichtung der Achse, Drehung um 180°, Lage der Düsen 16 gegenüber dem porösen Körper 1, usw.). Was hingegen zählt, ist die grundsätzliche Idee, dass das zu verdampfende Medium und das heisse Fluidum im Innern eines porösen Körper 1 direkt aufeinandertreffen, dessen Funktion letztlich nur das Verteilen der beiden Medien auf eine viel grössere Begegnungsfläche ist.The arrangement of the basic elements of the fast steam generator according to the invention can vary considerably within the scope of the present invention. Thus, the shape, the dimensions and the porosity of the porous body 1 may vary, as well as its spatial arrangement (horizontal orientation of the axis, rotation through 180 °, position of the nozzles 16 relative to the porous body 1, etc.). What counts, however, is the fundamental idea that the medium to be evaporated and the hot fluid inside a porous body 1 meet directly, whose function is ultimately only the distribution of the two media on a much larger meeting surface.

Die Anwendungsbereiche dieser neuen Art von schnellem Dampferzeuger sind verschieden, und reichen von Prozessen der Energieerzeugung, der Destillation, zu Trocknungsanlagen (mit überhitztem Dampf oder mit Sattdampf), zur Sterilisation in der Lebensmittelverarbeitung, Wärme-Kraft-Koppelungsanlagen bis hin zur Sterilisation medizinischer Instrumente, usw.The applications of this new type of fast steam generator are diverse, ranging from processes of power generation, distillation, to drying plants (superheated steam or saturated steam), to food processing sterilization, combined heat and power plants, to the sterilization of medical instruments, etc.

Liste der in den Figuren verwendeten BezugsziffernList of reference numerals used in the figures

11
poröser Körperporous body
22
zylindrischer Mantelcylindrical jacket
33
äussere Hülleouter shell
44
Deckelcover
55
Ausgangsöffnungoutput port
66
ringförmiger Zwischenraumannular space
77
Zuleitungsupply
88th
Pumpepump
99
Regulierventilregulating
1010
Lamellenslats
1111
Ausgabeleitungoutput line
1212
Verzweigungspunktbranching point
1313
absteigende Leitungdescending line
1414
aufsteigende Leitungascending line
1515
Teilstück der absteigenden Leitung 14Part of the descending line 14
1616
Düsejet
1717
Trennringseparating ring
1818
Regulierventilregulating
1919
Düsenkranz (Venturi-Düsen)Nozzle ring (venturi nozzles)
2020
Kranz von Venturi-DüsenWreath of venturi nozzles
2121
leitender Konusconductive cone
2222
Ausgabeleitungoutput line
2323
Regulierventilregulating
2424
Zwischenraumgap
2525
Sicherheitsventilsafety valve

Claims (9)

Schneller Dampferzeuger mit einem porösen Körper (1), der erhitzt werden kann, und durch welchen das zu verdampfende Medium durchströmt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der poröse Körper (1) mittels eines heissen Fluidums aufgeheizt wird, das ihn in einer Durchströmrichtung durchströmt, die im wesentlichen im rechten Winkel zur Richtung der Durchdringung des zu verdampfenden Mediums durch den porösen Körpers (1) verläuft,
und dass mindestens ein Teil des zu verdampfenden Mediums durch Aufsprühen auf die Eingangsoberfläche des porösen Körpers (1) vernebelt wird.Fast steam generator with a porous body (1) which can be heated and through which the medium to be evaporated flows,
characterized in that
the porous body (1) is heated by means of a hot fluid which flows through it in a flow direction which runs essentially at right angles to the direction of penetration of the medium to be evaporated through the porous body (1),
and that at least a part of the medium to be evaporated is misted by spraying on the input surface of the porous body (1). Schneller Dampferzeuger gemäss dem Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das heisse Fluidum, das den porösen Körper (1) aufheizt, ein Gas ist, das am Eintrittspunkt in den porösen Körper (1) eine Temperatur von mehr als 1200°C aufweist.Fast steam generator according to claim 1,
characterized in that
the hot fluid heating the porous body (1) is a gas having a temperature of more than 1200 ° C at the point of entry into the porous body (1). Schneller Dampferzeuger gemäss dem Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gas aus den Abgasen eines Verbrennungsmotors oder einer Heizanlage besteht.Fast steam generator according to claim 2,
characterized in that
the gas consists of the exhaust gases of an internal combustion engine or a heating system. Schneller Dampferzeuger gemäss dem Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der poröse Körper (1) ein Körper aus porösem Keramikmaterial ist.Fast steam generator according to claim 1,
characterized in that
the porous body (1) is a body of porous ceramic material. Schneller Dampferzeuger gemäss dem Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der poröse Körper (1) ein ringförmiger (torusförmiger) zylindrischer Körper ist, der einen kranzförmigen Querschnitt aufweist, und dass das zu verdampfende Medium auf die Oberfläche des ringförmigen zylindrischen Körpers aufgesprüht wird und den zylindrischen Körper von innen nach aussen durchströmt, während ihn das heisse Fluidum in der Richtung der Achse (h-h) des ringförmigen zylindrischen Körpers durchströmt.Fast steam generator according to claim 1,
characterized in that
the porous body (1) is an annular (torus-shaped) cylindrical body having a coronal cross-section, and that the medium to be evaporated is sprayed on the surface of the annular cylindrical body and the cylindrical body from the inside to flows through the outside, while it flows through the hot fluid in the direction of the axis (hh) of the annular cylindrical body. Schneller Dampferzeuger gemäss dem Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zu verdampfende Medium in einem Wärmetauscher mittels des heissen Fluidums, das den porösen Körper (1) erhitzt, vorgewärmt wird, bevor es vernebelt wird.Fast steam generator according to claim 1,
characterized in that
the medium to be evaporated is preheated in a heat exchanger by means of the hot fluid which heats the porous body (1) before it is nebulized. Schneller Dampferzeuger gemäss dem Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Teil des zu verdampfende Mediums mittels Vernebelung durch eine oder mehrere Venturi-Düsen (19) durch direkten Kontakt mit dem heissen Fluidum verdampft wird, bevor dieses in den porösen Körper (1) eindringt, in solcher Weise, dass die Temperatur der heissen Fluida innerhalb der Wärmegrenzen gehallten wird, welche die Struktur des porösen Körpers (1) nicht gefährden, und zum Regulieren der Überhitzung des erzeugten Dampfes.Fast steam generator according to claim 1,
characterized in that
a portion of the medium to be evaporated is vaporized by nebulization through one or more Venturi nozzles (19) by direct contact with the hot fluid before it enters the porous body (1), in such a way that the temperature of the hot fluids within the heat limits are met, which do not endanger the structure of the porous body (1), and to regulate the overheating of the generated steam. Schneller Dampferzeuger gemäss dem Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zu verdampfende Medium Wasser ist.Fast steam generator according to claim 1,
characterized in that
the medium to be evaporated is water. Schneller Dampferzeuger gemäss dem Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zu verdampfende Medium eine nicht-explosive Flüssigkeit ist.Fast steam generator according to claim 1,
characterized in that
the medium to be evaporated is a non-explosive liquid.
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