Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dampfkessel, insbesondere einen als Naturumlaufkessel ausgeführten Wasserrohrkessel. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Dampferzeugung mittels des

erfindungsgemäßen Dampfkessels sowie ein Verfahren zur Erzeugung

mechanischer Energie unter Zuhilfenahme des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Dampferzeugung. Ergänzt wird die vorliegende Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, bei dem das Verfahren zur Erzeugung

mechanischer Energie umgesetzt wird.

Der erfindungsgemäße Dampfkessel ist ein Dampferzeuger.

Derartige Dampfkesselanlagen, die als Naturumlauf- oder Zwangsumlaufkessel betrieben werden, sind zwecks Trennung zwischen der Wasser- und der

Dampfphase auf Trommeln mit jeweils unterschiedlichem Höhenniveau angewiesen. Insofern Dampfdrücke von weniger als 140 bar vorliegen, erfolgt die Trennung der beiden Phasen durch Gravitation, indem eine entsprechend große Trennfläche zwischen den beiden Phasen zur Verfügung gestellt wird. In diesem Fall ist die Dampfgeschwindigkeit so gering, dass ein Mitreißen von Wassertropfen

ausgeschlossen ist. Bei höheren Dampfdrücken von größer als 140 bar ist jedoch eine Separation der Wasserphase von der Dampfphase durch Gravitation nicht mehr möglich, so dass zu diesem Zweck weitere Maßnahmen durchgeführt werden müssen, um eine vollständige Trennung zu erreichen.

Zur Darlegung des derzeitigen Standes der Technik wird auf die beiliegenden Figuren 1 und 2 verwiesen. In Figur 1 ist ein als Naturumlaufkessel ausgeführter Wasserrohrkessel 1 dargestellt und in Figur 2 in vergrößerter Ansicht die Trommel 4 des Wasserrohrkessels 1 aus Figur 1 , wobei hier die Trommel 4 die Obertrommel des Wasserrohrkessels 1 ist. Der dargestellte Naturumlaufkessel weist

Verdampferheizflächen 10 auf, die, gekoppelt mit beheizten Steigrohren, ein Wasser- Dampf-Gemisch in die Trommel 4 führen. In der Untertrommel 5 sowie in den Verdampferheizflächen 10 befindliches Wasser wird durch Wärmezufuhr aus dem Feuerraum 12 derart erhitzt, dass ein

entstehendes Wasser-Dampf-Gemisch 2 über die Zuleitungen von

Verdampferheizflächen 14 in die obere Trommel 4 strömt. Über ein Steigrohr 16 sowie ein Rücklaufrohr 15 wird dabei nicht-verdampftes Wasser wieder in die Untertrommel 5 zurückgeführt, wo es nach Einspeisung in die

Verdampferheizflächen 10 der erneuten Verdampfung zur Verfügung steht.

Wie in Figur 2 ersichtlich ist, gelangt das Wasser-Dampf-Gemisch nach Eintritt in die Trommel 4 über die Zuleitungen von den Verdampferheizflächen 14 in den Gemisch- Aufnahmeraum 20 der Trommel 4. Außerdem strömt durch das Gemischrohr 7 ebenfalls ein Wasser-Dampf-Gemisch 2 über eine Einlasseinrichtung 21 , hier dargestellt durch eine einfache Öffnung in der Trommel 4, in den Gemisch- Aufnahmeraum 20. Die Strömung des Dampf-Anteils des Wasser-Dampf-Gemischs 2 ist durch den Strömungspfad 18 angedeutet. Vom Gemisch-Aufnahmeraum 20 gelangt das Wasser-Dampf-Gemisch 2 über eine strömungstechnische Verbindung 50 in eine auch als Fliehkraftabscheider bezeichneten Zyklon 13. Dieser Zyklon 13 befindet sich im Wasser- und Dampf-Aufnahmeraum 31 der Trommel 4. Der Wasser- und Dampf-Aufnahmeraum 31 ist durch eine Trenneinrichtung 30 - bevorzugt als Trennwand ausgeführt - vom Gemisch-Aufnahmeraum 20 abgetrennt. Je nach Leistung der Kesselanlage ist eine entsprechende Anzahl von Zyklonen,

vorzugsweise in Reihenanordnung, in der Trommel 4 vorgesehen. Das in den jeweiligen Zyklon 13 einströmende Wasser-Dampf-Gemisch 2 wird in eine Rotation gezwungen, wobei die schwereren Wassertropfen auf Grund der Zentrifugalkräfte an der Innenwand des Zyklons 13 gesammelt werden und in den unteren Teil des Zyklons 13 abgeführt werden, während abgetrennter Dampf aus dem Zyklon 13 heraus, durch einen Tropfenabscheider 41 hindurch aus der Trommel 4 durch einen Dampfaustritt 1 1 herausgelassen wird. Aus dem Zyklon 13 austretendes Wasser 32 sammelt sich an der Unterseite des Wasser- und Dampf-Aufnahmeraumes 31 , wobei sich über der Wasserphase 32 der Dampf 33 befindet.

Im Tropfenabscheider 41 sich sammelnde Wasserphase wird durch einen Ablauf 17 abgeführt. Die aus dem Wasser-Dampf-Gemisch 2 abgetrennte Wasserphase wird aus einer an der Unterseite der Trommel 4 angeordneten Wasser-Ableiteinrichtung 8 abgeleitet.

Insbesondere die Anordnung eines oder mehrerer Zyklone 13 bedingt relativ hohe Investitionskosten sowie ein relativ großes Volumen der Kesselanlage. Die Größe der Trommeln wird durch die Größe und Anzahl der anzuordnenden Zyklone 13 bestimmt. Weiterhin bewirkt der Betrieb der Zyklone 13 eine nachteilige

Druckminderung des Dampfes, bevor Dieser der Kesselanlage nachgeschalteten Überhitzerheizflächen zugeführt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Dampfkessel sowie ein Verfahren zur Dampferzeugung zur Verfügung zu stellen, welche in einfacher, robuster sowie kostensparender Art und Weise die zuverlässige und effiziente Trennung der Wasserphase von der Dampfphase eines Wasser-Dampf-Gemischs gewährleisten. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Aufgabe ist die Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Dampfkessel und insbesondere ein

Wasserrohrkessel zur Verfügung gestellt, der in günstiger Ausführungsform ein Naturumlaufkessel ist. Der Dampfkessel weist eine Trommel auf mit daran angeschlossenen Fallrohren zur Ableitung von Wasser aus der Trommel, und in der Trommel einen Gemisch-Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Wasser-Dampf- Gemischs, sowie eine Trenneinrichtung und einen Wasser-Aufnahmeraum. Die Trenneinrichtung trennt den Gemisch-Aufnahmeraum vom Wasser-Aufnahmeraum. Der Gemisch-Aufnahmeraum weist eine Einlasseinrichtung zur Zuführung eines Wasser-Dampf-Gemisches in den Gemisch-Aufnahmeraum auf.

Der Wasser-Aufnahmeraum weist einen Dampfaustritt zum Auslassen von restlichem Dampf aus dem Wasser-Aufnahmeraum auf.

Zwischen dem Gemisch-Aufnahmeraum und dem Wasser-Aufnahmeraum ist eine strömungstechnische Verbindung zwecks Zuführung von Dampf aus dem Gemisch- Aufnahmeraum in den Wasser-Aufnahmeraum realisiert.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass

der Strömungspfad in von der Einlasseinrichtung bis zum Dampfaustritt durch die strömungstechnische Verbindung eine Länge LS aufweist, die zur geometrischen Entfernung GE zwischen der Einlasseinrichtung und dem Dampfaustritt im folgenden Verhältnis steht:

LS > 3 GE.

Der erfindungsgemäße Dampfkessel ist bevorzugt ein Natur- bzw.

Zwangsumlaufkessel. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dampfkessels ist ein Eckrohrnaturumlaufkessel in Zweitrommel- Ausführung mit den Elementen Obertrommel, Untertrommel, Überstromrohr,

Gemischrohr, unbeheiztes Rücklaufrohr sowie Sammler. Bei der bevorzugten Ausführungsform als Eckrohrnaturumlaufkessel schließen die vom Eckrohr-Design vorgegebenen Gemisch- und Überstromrohre sowie die aus der Zweitrommel- Lösung resultierenden Verdampferheizflächen an die Obertrommel an, wobei die Verdampferheizflächen die Untertrommel mit der Obertrommel verbinden. Im erfindungsgemäßen Wasserrohrkessel ist die genannte Trommel daher die

Obertrommel und als Behälter ausgeführt, wobei sie unter anderem die Funktion eines Wasserreservoirs aufweist.

Die den Wasser-Aufnahmeraum vom Gemisch-Aufnahmeraum trennende

Trenneinrichtung ist bevorzugt eine Trennwand.

Die Fallrohre sind derart an der Trommel angeordnet, dass in der Trommel enthaltenes Wasser schwerkraftbedingt aus der Trommel durch die Fallrohre abfließen kann.

Die geometrische Entfernung GE zwischen der Einlasseinrichtung und dem Dampfaustritt ist dabei der kürzeste Abstand zwischen der Einlasseinrichtung und dem Dampfaustritt, unabhängig von zwischen der Einlasseinrichtung und dem Dampfaustritt angeordneten Einbauten. Das heißt, dass der Strömungspfad zwischen der Einlasseinrichtung und dem Dampfaustritt weit länger ist als die kürzeste Entfernung zwischen der Einlasseinrichtung und dem Dampfaustritt.

Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass mindestens 50% des Weges, den der Dampf von der Einlasseinrichtung bis zum Dampfaustritt aus der Trommel durch die Trommel hindurch zurücklegt, ein translatorischer Weg ist, auf dem schwerkraftbedingt Wasser aus dem Wasser-Dampf-Gemisch herausfällt. Das bedeutet, dass bei ggf. zusätzlich angeordneten Zyklonen und Einbeziehung des in dem Zyklon vom Wasser-Dampf-Gemisch rotatorisch zurückzulegenden Weges in den Gesamt-Weg von der Einlasseinrichtung bis zum Dampfaustritt der Anteil des rotatorisch zurückzulegenden Weges maximal 50% des Gesamt-Weges ausmacht. Unter einem Zyklon ist hierbei ein Fliehkraftabscheider zu verstehen, welcher nicht unbedingt einen extra Antrieb zur Erzeugung de Rotationsbewegung aufweist, sondern lediglich auf Grund seiner inneren Formgebung die einströmenden Medien in Rotation zwingt.

Bei einer herkömmlichen Trommel beträgt der translatorische Anteil des vom Wasser-Dampf-Gemisch zurückzulegende Weg in der Trommel maximal 20% bei Einbeziehung des in einem in einer herkömmlichen Trommel angeordneten Zyklons zurückgelegten rotatorischen Weges, so dass bei einer herkömmlichen Trommel ständig Energie zugeführt werden muss, um die Wasserphase aus dem Wasser- Dampf-Gemisch abzuscheiden.

Bei dem erfindungsgemäßen Dampfkessel dagegen muss der Dampf aus dem Wasser-Dampf-Gemisch einen relativ langen Weg zurücklegen, um von der Einlasseinrichtung zum Dampfaustritt zu gelangen. Entsprechend lang ist die Verweildauer, so dass im Dampf enthaltene Wasserpartikel Schwerkraft- oder auch beschleunigungsbedingt sich aus dem Dampf lösen können. Diese Wasserpartikel werden im Wasser-Aufnahmeraum aufgefangen.

Bezüglich des in der Trommel vom Wasser-Dampf-Gemisch durchströmbaren Volumens ist vorzugsweise vorgesehen, dass mindestens 60% des Volumens der Trommel vom Wasser-Dampf-Gemisch translatorisch durchströmbar ist, so dass lediglich maximal 40% des Trommelvolumens rotatorisch, wie z.B. in einem Zyklon, durchströmbar ist.

Der erfindungsgemäße Dampfkessel ist derart ausgestaltet, dass sich mindestens 70% und vorzugsweise mindestens 80% des Wassers aus dem Wasser-Dampf- Gemisch lösen und im Wasser-Aufnahmeraum aufgefangen werden kann. Demzufolge sind keine Zyklone oder nur sehr wenige Zyklone bzw. lediglich Zyklone mit relativ geringer Leistung im Strömungspfad angeordnet, da sich der überwiegende Anteil des Wassers schwerkraftbedingt aus dem Wasser-Dampf- Gemisch lösen kann.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt insbesondere im geringen Strömungswiderstand auf Grund der Abwesenheit bzw. Verringerung oder Verkleinerung der Zyklone. Dadurch kann das Wasser-Dampf-Gemisch bzw. auch der Dampf aus dem Wasser-Dampf-Gemisch im Wesentlichen ungehindert strömen, so dass auf Grund des damit verbundenen Energiebedarfs zur Realisierung der Strömung insbesondere die Anwendung des Dampfkessels im Naturumlaufbetrieb gewährleistet ist. Das heißt, der erfindungsgemäße Dampfkessel ist insbesondere ein Naturumlaufkessel, wobei aber auch die Anwendung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung in anderen Kesselarten nicht ausgeschlossen ist und sich auf Grund des geringen Energiebedarfs als vorteilhaft erweist.

In konventionellen Naturumlaufkesselsystemen erzeugen die dort eingesetzten Fliehkraftabscheider einen Druckverlust in dem Behälter bzw. der Trommel, in dem bzw. der sie eingesetzt sind. Dieser Druckverlust muss zur Aufrechterhaltung des Naturumlaufes durch einen entsprechenden, von den Fallrohren aufzubringenden statischen Druck im System kompensiert werden. Demzufolge sind in konventionellen Anlagen relativ lange Fallrohre nötig, die eine hohe Bauweise des Systems bedingen. Außerdem benötigen die Fliehkraftabscheider selbst ein gewisses hohes Volumen.

Bei der vorliegenden Erfindung ist ein nur geringer Druckverlust in der Trommel und damit im Gesamt-System zu verzeichnen, da wesentlich weniger oder kleinere oder keine Fliehkraftabscheider verwendet werden. Deshalb können die Fallrohre relativ kurz ausgeführt sein, wobei sich weiterhin durch die weniger oder kleiner ausgeführten Fliehkraftabscheider die Bauhöhe des Systems verringert.

Ein solcher Dampfkessel lässt sich insbesondere in höhenmäßig begrenzten Umgebungen installieren, die z.B. zwischen Decks von Schiffen.

Der erfindungsgemäße Dampfkessel nutzt somit vollständig oder überwiegend die frei zur Verfügung stehende Schwerkraft, um Wasser aus dem Wasser-Dampf- Gemisch auszuscheiden, und nicht wie bei herkömmlichen Dampfkesseln mit Zyklonen die Zentrifugalkraft, deren Erzeugung relativ energieaufwändig ist.

Bei Ausführung als Eckrohrnaturumlaufkessel bildet somit der Gemisch- Aufnahmeraum einen sogenannten Vorsichtraum und der Wasser-Aufnahmeraum einen sogenannten Nachsichtraum aus. Außerdem weist die Trommel eine Wasser- Abieiteinrichtung zur Abführung von Wasser aus der Trommel, insbesondere zur Untertrommel, auf.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Dampfkessels liegt insbesondere darin, dass das Wasser-Dampf-Gemisch von der Einlasseinrichtung bis in den Wasser- Aufnahmeraum einen relativ langen Weg zurücklegen muss, so dass sich auf diesem Weg zumindest anteilig die Wasserphase von der Dampfphase trennt und lediglich die Wasserphase im Wasser-Wasser-Aufnahmeraum zurückbleibt und über die Wasser-Ableiteinrichtung aus der Trommel abgeführt wird.

Vorzugsweise umfasst die strömungstechnische Verbindung eine Öffnung am oder im Wasseraufnahmeraum. Der Wasser-Aufnahmeraum weist eine Längserstreckung auf und die Öffnung ist an einer Stirnseite des Wasser-Aufnahmeraumes realisiert. Der Wasser-Aufnahmeraum weist eine Längserstreckung auf, die wesentlich größer ist als die Quererstreckung des Wasser-Aufnahmeraumes. Die Öffnung befindet sich somit an der Querseite des Wasser-Aufnahmeraumes.

Weiterhin ist in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, dass der Gemisch- Aufnahmeraum und der Wasser-Aufnahmeraum jeweils eine Längserstreckung aufweisen, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei die

Einlasseinrichtung an einer Längsseite des Gemisch-Aufnahmeraumes und vorzugsweise mittig an der Längsseite angeordnet ist.

Das heißt, dass der Gemisch-Aufnahmeraum und der Wasser-Aufnahmeraum im selben Längensegment der Trommel nebeneinander angeordnet und von der Trenneinrichtung getrennt sind.

Der erfindungsgemäße Wasserrohrkessel ist insbesondere dann vorteilhaft ausgestaltet, wenn der Gemisch-Aufnahmeraum ein ihn stirnseitig teilweise begrenzendes Begrenzungselement umfasst, und die strömungstechnische

Verbindung zwischen dem Gemisch-Aufnahmeraum und dem Wasser- Aufnahmeraum mindestens eine Ausströmöffnung im oder am Begrenzungselement aufweist, durch die Dampf vom Wasser-Gemisch-Aufnahmeraum in den Wasser- Aufnahmeraum strömen kann. Das heißt, dass der Dampf durch die Öffnung im Wasser-Aufnahmeraum in diesen einströmt. Das Begrenzungselement begrenzt jedoch vorzugsweise nicht den Wasser-Aufnahmeraum. Das Begrenzungselement kann als ein sogenanntes Endblech an der Trenneinrichtung angeordnet sein. Der Dampf strömt somit aus den auch Fenster genannten Ausströmöffnungen im bzw. am Begrenzungselement aus dem Gemisch-Aufnahmeraum in den Wasser- Aufnahmeraum.

Das Begrenzungselement stellt somit Einbauten bzw. einen Teil von Einbauten dar, die zum einem das Gemisch aus Wasser und Dampf von der separierten Wasserphase trennen und zum anderen zur Verlängerung des Strömungspfades des Dampfes beitragen.

Nach Strömung des Dampfes durch die Ausströmöffnung wird der Dampfstrom an der Innenseite des stirnseitigen Trommelbereiches, der einen Teil des Wasser- Aufnahmeraumes begrenzt, umgelenkt und in Richtung des Dampfaustrittes geführt. Durch die Umlenkung erfolgt trägheitskraftbedingt ebenfalls eine Trennung von Wasserpartikeln aus dem Dampf.

Vorzugsweise ist das Begrenzungselement derart ausgeführt, dass mit ihm ein Dampfstrom aus dem Wasser-Dampf-Gemisch vom Gemisch-Aufnahmeraum in ein an den Wasser-Aufnahmeraum angeschlossenes Fallrohr blockierbar ist.

Das Begrenzungselement weist für diese Funktion die Ausströmöffnung in einer solchen Höhe auf, dass verhindert wird, dass Wasser-Dampf-Gemisch im tiefsten Bereich des Wasser-Aufnahmeraumes in diesen einströmt und in die dort angeschlossenen Fallrohre gelangen kann. Auf Grund dessen, dass sich Wasser im Wasser-Aufnahmeraum in dessen tiefsten Bereich ansammelt und somit die Eingänge der Fallrohre überlagert, wird ein Eindringen von Dampf aus dem Wasser- Dampf-Gemisch in die Fallrohre verhindert und ein Naturumlauf gewährleistet.

Das heißt, dass das Begrenzungselement lediglich den Bereich des Wasser-Wasser- Aufnahmeraumes seitlich begrenzt, in dem sich die Wasserphase des Wasser- Dampf-Gemischs sammelt.

Zur Realisierung einer kostensparenden Konstruktion des Dampfkessels ist vorgesehen, dass die Ausströmöffnung im oder am Begrenzungselement im

Wesentlichen die gleiche Position in Längsrichtung des Gemisch-Aufnahmeraumes und des Wasser-Aufnahmeraumes aufweist, wie die Öffnung im Wasser- Aufnahmeraum. Das heißt, dass die Öffnungen den gleichen Koordinatenwert in Richtung der Längserstreckung des Gemisch-Aufnahmeraumes und des Wasser- Aufnahmeraumes haben. Vorzugsweise ist genau die gleiche Position in

Längsrichtung realisiert.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das

Begrenzungselement bis auf den Bereich der Ausströmöffnung bzw. der

Ausströmöffnungen den Gemisch-Aufnahmeraum stirnseitig begrenzt.

In konkreter Ausgestaltung kann der Wasser-Aufnahmeraum eine Längserstreckung aufweisen und an der inneren Oberseite der Trommel im Wesentlichen mittig angeordnet sein. In dieser Ausführung umschließt das Begrenzungselement den Wasser-Aufnahmeraum derart, dass zwischen der Innenseite der Trommel, dem Begrenzungselement und der Trenneinrichtung eine erste und eine zweite

Ausströmöffnung ausgebildet ist, wobei jeweils eine Ausströmöffnung an einer Seite des Wasser-Aufnahmeraumes angeordnet ist. Das heißt, dass die Ausströmöffnungen an den Längsseiten des Wasser-Aufnahmeraumes vorgesehen sind.

Somit werden durch die beiden Ausströmöffnungen seitlich des Wasser- Aufnahmeraumes in Richtung der Längserstreckung des Wasser-Aufnahmeraumes je Begrenzungselement zwei Teil-Dampfströme realisiert.

Vorzugsweise sind an jedem Ende des Wasser-Aufnahmeraumes jeweils ein Begrenzungselement mit Ausströmöffnungen angeordnet, so dass der Dampfkessel insgesamt vier Ausströmöffnungen aufweist.

In besonderer konstruktiver Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die tiefsten Punkte der beiden Ausströmöffnungen jeweils eine unterschiedliche Höhe aufweisen. Das heißt, dass die unteren Begrenzungskanten der Ausströmöffnungen im

Begrenzungselement unterschiedliche Höhen aufweisen, so dass eine

Ausströmöffnung an einer Seite des Wasser-Aufnahmeraumes eine größere Tiefe aufweist, als die Ausströmöffnung auf der anderen Seite des Wasser- Aufnahmeraumes.

Staudruckbedingt ist auf der Seite, an der die Einlasseinrichtung zur Zuführung des Wasser-Dampf-Gemisches in den Gemisch-Aufnahmeraum angeordnet ist, eine relativ große Höhe des Wasser-Dampf-Gemisches zu befürchten. Einem

Überströmen des Wasser-Dampf-Gemisches durch die auf dieser Seite angeordnete Ausströmöffnung in den Wasser-Aufnahmeraum kann durch eine entsprechend hohe Lage der unteren Begrenzungskante dieser Ausströmöffnung begegnet werden, die höher ist als die Höhe der unteren Begrenzungskante der Ausströmöffnung auf der anderen Seite der Trenneinrichtung.

Zwecks Abscheidung gegebenenfalls im abgetrennten Dampf noch vorhandener Tropfen sollte im Wasser-Aufnahmeraum ein Tropfenabscheider angeordnet sein.

In bevorzugter Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Dampfkessel ein

Zweitrommelkessel, wobei die Trommel mit dem Gemisch-Aufnahmeraum und dem Wasser-Aufnahmeraum die Obertrommel ausbildet. Wie bereits erwähnt, sollte dieser Dampfkessel vorzugsweise als Eckrohrnaturumlaufkessel konzipiert sein.

In dieser Ausgestaltung umfasst der Dampfkessel einen Sammler, in dem ein

Wasser-Dampf-Gemisch in eine Wasserphase und eine Dampfphase teilweise trennbar ist, wobei zwischen dem Sammler und der Einlasseinrichtung eine strömungstechnische Verbindung besteht zur Zuführung eines nach der Trennung verbleibenden Wasser-Dampf-Gemisches in den Gemisch-Aufnahmeraum. Der Sammler befindet sich außerhalb der Trommel. Vom Sammler wird das Wasser- Dampf-Gemisch in den Gemisch-Aufnahmeraum mittels eines Gemischrohrs geleitet und im Sammler abgeschiedener Dampf wird über ein Überstromrohr in die Trommel gespeist.

Zur Lösung der genannten Aufgabe wird außerdem ein Verfahren zur

Dampferzeugung zur Verfügung gestellt, bei dem mittels eines erfindungsgemäßen Dampfkessels Wasser verdampft wird, wobei ein erzeugtes Wasser-Dampf-Gemisch in den Gemisch-Aufnahmeraum der Trommel geleitet wird und im Strömungspfad von der Einlasseinrichtung in den Wasser-Aufnahmeraum zumindest teilweise die Wasserphase von der Dampfphase des Wasser-Dampf-Gemischs abgeschieden wird.

Bei Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem

Eckrohrnaturumlaufkessel werden dabei wie bei herkömmlichen Wasserrohrkesseln die Steigrohre beheizt, so dass das Wasser-Dampf-Gemisch in den Steigrohren in die Trommel bzw. Obertrommel steigen kann. In einem Sammler wird Dampf aus dem Wasser-Dampf-Gemisch abgeschieden, so dass ein Teil des dadurch abgetrennten Wassers durch unbeheizte Rücklaufrohre einem Verteiler zufließen kann. Der abgeschiedene Dampf wird über ein Überströmrohr dem Wasser- Aufnahmeraum der Trommel zugeführt und das restliche Wasser wird über ein Gemischrohr in die Trommel geleitet. In der Trommel findet wie beschrieben die hauptsächliche Trennung von Wasser und Dampf statt, wobei das Wasser durch Fallrohre den Verteilern zuströmt. Durch das Rücklaufrohr wird der Wasserweg erheblich verkürzt und derart der Wasserumlauf verbessert.

Der erfindungsgemäße Dampfkessel und das erfindungsgemäße Verfahren zur Dampferzeugung wird in dieser Ausgestaltung mit den Vorteilen des

Eckrohrnaturumlaufkesselsystems kombiniert, wobei sich insbesondere die

Vereinfachung der Trommeleinbauten hinsichtlich der Kostenersparnis sowie auch des benötigten Bauraumes positiv auswirkt. Die erfindungsgemäß vorgesehene Verlängerung des Weges des Dampfes von der Einströmeinrichtung zum Wasser- Aufnahmeraum bewirkt, dass die von der Dampfphase im Gemisch-Aufnahmeraum noch mitgerissenen Wassertropfen während der Reisezeit zum und durch den Wasser-Aufnahmeraum aus der Dampfphase herausfallen und sich im Wasser- Aufnahmeraum in der in Diesem aufgenommenen Wasserphase sammeln, welche über Rücklauf bzw. Fallrohre und einem Verteiler wieder den Verdampferheizflächen des Wasserrohrkessel zugeführt wird. In dem Wasser-Aufnahmeraum befindet sich somit neben der Wasserphase weitgehend tropfenfreier Wasserdampf, der zur weiteren Abscheidung einem Tropfenabscheider zugeführt wird und danach über einen Dampfaustritt aus dem Wasser-Aufnahmeraum herausgelassen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet vorzugsweise bei Dampfdrücken unter 140 bar Anwendung.

Ergänzt wird die vorliegende Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur

Dampferzeugung ausgeführt wird und der erzeugte Dampf zum Antrieb einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Turbine, genutzt wird. Auf Grund der erfindungsgemäß vorgesehenen Vereinfachung der Trommeleinbauten lässt sich somit auch mechanische Energie kosteneffizienter sowie störunanfälliger erzeugen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie ausgeführt wird und die erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie, zum Beispiel durch Antrieb eines Generators, umgewandelt wird.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen

Fig.1 einen herkömmlichen Dampferzeuger in schematischer Ansicht von der Seite,

Fig. 2 die Obertrommel des in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Dampferzeugers in schematischer Ansicht von der Seite,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Dampfkessel in schematischer Ansicht von der Seite,

Fig. 4 die in Fig. 3 dargestellte Trommel des erfindungsgemäßen Dampfkessels in vergrößerter Ansicht von der Seite ohne die darin enthaltenen Medien,

Fig. 5 die in Fig. 4 dargestellte Trommel des erfindungsgemäßen Dampfkessels in Ansicht von vorn mit darin enthaltenen Medien,

Fig. 6 die in Fig. 5 dargestellte Trommel des erfindungsgemäßen Dampfkessels in Ansicht von der Seite mit darin enthaltenen Medien entlang des Schnittes A-A, Fig. 7 die in Fig. 5 dargestellte Trommel des erfindungsgemäßen Dampfkessels in Ansicht von der Seite mit darin enthaltenen Medien entlang des Schnittes B-B.

Auf den herkömmlichen Dampferzeuger gemäß Fig. 1 und 2 und dessen

Obertrommel wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Dampfkessels ist den Figuren 3 und 4 entnehmbar.

Zur Erläuterung des Dampfkessels bzw. seines Funktionsprinzips wird zunächst auf den in Fig. 3 dargestellten Wasserrohrkessel 1 eingegangen. Dieser

Wasserrohrkessel 1 umfasst eine Untertrommel 5 sowie eine Trommel 4, die auch als Obertrommel bezeichnet werden kann. Zwischen der Untertrommel 5 und der Trommel 4 verlaufen Verdampferheizflächen 10. Die Verdampferheizflächen 10 sind über Zuleitungen 14 an die Trommel 4 angeschlossen. In der Untertrommel 5 sowie im unteren Bereich der Verdampferheizflächen 10 befindet sich Wasser, welches durch Wärmezufuhr aus dem Feuerraum 12 zumindest anteilig verdampft wird.

Dadurch strömt ein Wasser-Dampf-Gemisch in die Trommel 4. Bei der dargestellten Ausführung als Eckrohrnaturrumlaufkessel umfasst der Wasserrohrkessel 1 außerdem ein Steigrohr 16 sowie ein Rücklaufrohr 15 zwecks Zuführung von in einem Sammler 9 abgesetzter Wasserphase zurück in die Untertrommel 5. Ein

Wasser-Dampf-Gemisch strömt aus dem Sammler 9 über ein Gemischrohr 7 in die Trommel 4. Bereits im Sammler 9 abgetrennter Dampf strömt über ein Überströmrohr 6 ebenfalls in die Trommel 4.

In Fig. 4 ist ersichtlich, wie die Trommel 4 aufgebaut ist. Anhand der in Fig. 4 dargestellten Trommel 4 sollen im Folgenden die erfindungswesentlichen Aspekte erläutert werden. Ein Wasser-Dampf-Gemisch 2 strömt durch das Gemischrohr 7 über eine Einlasseinrichtung 21 in die Trommel 4 und somit in den Wasser-Gemisch- Aufnahmeraum 20.

Ebenso strömt ein Wasser-Dampf-Gemisch 2 durch die Zuleitung von den

Verdampferheizflächen 14 in den Gemisch-Aufnahmeraum 20 ein. Die Trommel 4 ist derart aufgebaut, dass ihr Innenraum durch eine Trenneinrichtung 30 zumindest segmentweise abgetrennt ist, so dass in der Trommel 4 ein Gemisch-Aufnahmeraum 20 zwischen der Innenwand der Trommel 4 und einer Seite der Trenneinrichtung 30 ausgebildet ist, sowie ein Wasser-Aufnahmeraum 40 zwischen der Innenseite der Trenneinrichtung 30 und einem Teilbereich der Innenseite der Trommel 4

ausgebildet ist. Der Gemisch-Aufnahmeraum 20 ist stirnseitig durch ein

Begrenzungselement 60, welches gegebenenfalls auch als Endblech bezeichnet werden kann, teilweise abgeschlossen.

Der Wasser-Aufnahmeraum 40 hat drei Abschnitte, nämlich den Bereich über der Trenneinrichtung 30 und jeweils seitlich daneben, wobei abgeschiedenes Wasser sich in allen drei Abschnitten befinden kann.

Zwecks besserer Erkennbarkeit des Begrenzungselementes 60 ist in Fig. 4 das Begrenzungselement 60 schraffiert dargestellt. Das bedeutet nicht zwangsläufig, dass in Fig. 4 eine Schnittdarstellung der Trommel gezeigt ist, in der der Schnitt durch das Begrenzungselement 60 verläuft.

Das Begrenzungselement 60 schließt dabei den Gemisch-Aufnahmeraum 20 nicht vollständig ab, sondern lässt eine erste Ausströmöffnung 61 sowie eine zweite Ausströmöffnung 62 frei. Diese Ausströmöffnungen 61 , 62 werden auch als Fenster bezeichnet.

In Fig. 4 ist die Trommel 4 in ihrer Ansicht von der Seite dargestellt. Das heißt, dass die Längserstreckungsrichtung der Trommel 4 senkrecht zur Darstellungsebene verläuft. Die Einlasseinrichtung 21 und bevorzugt auch die Zuleitungen von den Verdampferheizflächen 14 weisen einen relativ großen Abstand in Längserstreckungsrichtung in Bezug zu den Ausströmöffnungen 61 , 62 auf. Dadurch muss ein Dampf-Anteil eines durch das Gemischrohr 7 in die Trommel 4 einströmenden Wasser-Dampf-Gemisches 2 von der Einlasseinrichtung 21 durch den Gemisch-Aufnahmeraum 20 bis zu den Ausströmöffnungen 61 , 62 und von den Ausströmöffnungen 61 , 62 bis zum Dampfaustritt 1 1 einen relativ langen Weg zurücklegen.

Auf diesem langen Weg fällt Wasserphase zumindest teilweise aus der

transportierten Dampfphase aus, so dass sich die Wasserphase im Wasser- Aufnahmeraum 40 sammeln kann und mittels einer Wasser-Ableiteinrichtung aus der Trommel 4 abgeführt werden kann, zum Beispiel zur Untertrommel 5. Der Wasser- Aufnahmeraum 40 kann, wie dargestellt, an seiner Stirnseite vollständig geöffnet sein. Die Trenneinrichtung ist dabei ähnlich wie ein oben offenes U-Profil ausgeführt. Der in den Wasser-Aufnahmeraum 40 strömende Dampf 3 passiert außerdem einen Tropfenabscheider 41 , in dem restliche möglicherweise noch enthaltene

Wasserpartikel abgeschieden werden können. Danach verlässt der Dampf 3 über einen Dampfaustritt 1 1 die Trommel 4. Der Weg des Dampfes 3 durch die Trommel 4 ist durch den dargestellten Strömungspfad 18 angedeutet.

Die strömungstechnische Verbindung 15 zwischen dem Gemisch-Aufnahmeraum 20 und dem Wasser-Aufnahmeraum 40 wird somit über die Ausströmöffnungen 61 , 62 sowie die stirnseitige Öffnung 51 im Wasser-Aufnahmeraum 40 realisiert. Die beiden Ausströmöffnungen 61 , 62 können dabei eine unterschiedliche Position ihres jeweiligen tiefsten Punktes 63 aufweisen.

Zur besseren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Dampfkessels ist dieser in Figur 5 in Ansicht von vorn dargestellt und in den Figuren 6 und 7 in Ansicht von der Seite entlang der in Figur 5 dargestellten Schnitte A-A bzw. B-B.

Aus Figur 5 ist ersichtlich, dass das Wasser-Dampf-Gemisch 2 in den Gemisch- Aufnahmeraum 20 durch die dort zentral angeordnete Einlasseinrichtung 21 eintritt. Das Wasser-Dampf-Gemisch 2 strömt seitlich an der Trenneinrichtung 30 vorbei bis zum Begrenzungselement 60, wo das Wasser-Dampf-Gemisch 2 durch die dort angeordneten Ausströmöffnungen 61 , 62 in den Wasser-Aufnahmeraum 40 gelangt. Ein geringerer Volumenstrom des Wasser-Dampf-Gemisches 2 kann auch durch Schlitze 34 in der Trenneinrichtung 30 übertreten.

Der Wasser-Aufnahmeraum ist durch die Abschnitte der Trommel 4 stirnseitig am Gemisch-Aufnahmeraum 20 sowie durch das Volumen, das durch die Trenneinrichtung 30 und einen Teilbereich der Innwandung der Trommel über der Trenneinrichtung 30 ausgebildet ist, definiert. Im Wasser-Aufnahmeraum 40 gelangt das Wasser-Dampf-Gemisch 2 bzw. der lediglich nur noch vorhandene Dampf 3 durch den Tropfenabscheider 41 und von diesem in den Dampfaustritt 1 1. In Figur 5 ist dabei lediglich ein Strömungspfad 18 eingezeichnet, der sich durch eines der dargestellten Begrenzungselemente 60 erstreckt. Selbstverständlich erfolgt auch eine Strömung des Wasser-Dampf-Gemisches 2 bzw. des Dampfes 3 durch das andere, rechts dargestellte Begrenzungselement 60. Ersichtlich ist, dass die geometrische Entfernung zwischen der Einlasseinrichtung 21 und dem Dampfaustritt 1 1 viel geringer ist, als die Länge des Strömungspfades 18. In Figur 6 ist eine Schnittansicht der oberen Trommel des erfindungsgemäßen Dampfkessels entlang des in Figur 5 dargestellten Schnittes A-A dargestellt. Dieser Schnitt verläuft durch den stirnseitig am Gemisch-Aufnahmeraum 20 angeordneten Bereich des Wasser-Aufnahmeraumes 40. Demzufolge ist lediglich das aus dem Wasser-Dampf-Gemisch 2 ausgefallene Wasser 100 in der Trommel ersichtlich. Auch hier ist erkennbar, dass die geometrische Entfernung zwischen Einlasseinrichtung 21 und dem Dampfaustritt 1 1 sehr gering ist.

Figur 7 stellt den in Figur 5 angedeuteten Schnittverlauf B-B durch die Trommel des erfindungsgemäßen Dampfkessels dar. Es ist erkennbar, dass in diesem Bereich das durch die Einlasseinrichtung 21 in die Trommel 4 eingetretene Wasser-Dampf- Gemisch 2 die Trenneinrichtung 30, die hier im Wesentlichen in Form eines U-Profils ausgeführt ist, umgibt. Der Gemisch-Aufnahmeraum 20 wird somit durch die Innenseite der Trommel 4, durch die Außenseite der Trenneinrichtung 30 und stirnseitig durch die beiden Begrenzungselemente 60 begrenzt. Dampf 3 aus dem Wasser-Dampf-Gemisch 2 kann aus diesem Wasser-Dampf-Gemisch 2 im Gemisch- Aufnahmeraum 20 durch die Ausströmöffnungen 61 , 62 in den Wasser- Aufnahmeraum 40 strömen, wobei aufgrund der langen Verweildauer des Dampfes 3 und/oder der beschleunigungsbedingten Herauslösung von Wasserpartikeln Wasser im Wasser-Aufnahmeraum 40 gesammelt wird, wie es in Figur 6 dargestellt ist.

In Figur 7 ist dieses im Wasser-Aufnahmeraum 40 aufgefangene Wasser lediglich in dem Bereich des Wasser-Aufnahmeraumes 40 dargestellt, der durch die wannenförmige Trenneinrichtung 30 definiert ist.

Zur Erleichterung der Strömung des Dampfes 3 des Wasser-Dampf-Gemisches 2 ist der durch die Trenneinrichtung 30 definierte Bereich des Wasser-Aufnahmeraumes 40 stirnseitig vollständig offen ausgeführt.

Aus Figur 7 ist ersichtlich, dass der tiefste Punkt 63 der ersten Ausströmöffnung 61 höher liegt als der tiefste Punkt 63 der zweiten Ausströmöffnung 62. Dadurch wird bewirkt, dass eine staudruckbedingte Erhöhung des Wasser-Dampf-Gemisches 2 nicht dazu führt, dass ein Anteil des Wasser-Dampf-Gemisches 2 durch die erste Ausströmöffnung 61 in den Wasser-Aufnahmeraum 40 gelangt und dort ein Dampf- Anteil durch die Fallrohre geleitet wird.

Aus diesem Grund sind auch Öffnungen 64 im Begrenzungselement 60, durch die ebenfalls Dampf strömen kann, lediglich dicht unter den Ausströmöffnungen 61 , 62 angeordnet. Bezugszeichenliste

Dampfkessel 1 Wasser-Dampf-Gemisch 2

Dampf 3

Trommel 4

Untertrommel 5 Überströmrohr 6

Gemischrohr 7

Fallrohr 8

Sammler 9

Verdampferheizflächen 10 Dampfaustritt 1 1

Feuerraum 12

Zyklon 13

Zuleitung von Verdampferheizflächen 14

Rücklaufrohr 15 Steigrohr 16

Ablauf 17

Strömungspfad 18

Gemisch-Aufnahmeraum 20 Einlasseinrichtung 21

Trenneinrichtung 30

Wasser- und Dampf-Aufnahmeraum 31

Wasser 32 Dampf 33

Schlitz 34 Wasser-Aufnahmeraum 40

Tropfenabscheider 41

strömungstechnische Verbindung 50

Öffnung im Wasser-Aufnahmeraum 51

Begrenzungselement 60

Erste Ausströmöffnung 61

Zweite Ausströmöffnung 62 tiefster Punkte der Ausströmöffnung 63

Öffnung 64

Höhe H geometrische Entfernung GE

Wasser 100