Verfahren und Einrichtung zur Abwärmeverwertung. In einer Reihe von technischen Anlagen (Hütten, Verbrennungsturbinen oder Moto ren u. a.) entstehen grosse Mengen von hei ssen Gasen, deren Wärme durch einen Ab wärmekessel verwertet werden kann. Solche Ibwärmekessel sind jedoch wenig verbrei tet, weil sie in den meisten Fällen im Ver hältnis zu den Bau- und Betriebskosten einen zu kleinen Gewinn versprechen.
Die Arbeits= verhältnisse einer Anlage zur Abwärmever- wertung sind nämlich wesentlich schlechter als die Verhältnisse bei einer normalen Dampfkraftanlage, wie weiter unten näher angeführt ist.
Zum Vergleich und zur Verdeutlichung der Vorteile des erfindungsgemässen Verfah rens ist in Abb.1 der beiliegenden Zeich nung der Temperaturverlauf in einer nor malen Dampfkraftanlage dargestellt. Wie er sichtlich, besteht der kleinste Temperatur unterschied zwischen Rauchgasen und Was ser immer zwischen dem Kaltwasser und den kalten Rauchgasen Eiwischen den Punkten 1, 6), ohne Rücksicht darauf, ob man dabei einen niedrigen. oder einen hohen Dampf druck wählt.
Eine normale Dampfkraft anlage kann demnach sowohl mit einer nied rigen Abgastemperatur als auch mit dem günstigsten Dampfdruck, also mit einem guten Wirkungsgrad, arbeiten.
In Abb. 2 ist der Temperaturverlauf bei einem Abwärmekessel bekannter Ausfüh rung veranschaulicht. Hier besteht der klein ste Temperaturunterschied zwischen dem- 'Wasser und den Rauchgasen am Anfang der Verdampfungsfläche (zwischen den Punkten 2 und 6).
Der Temperaturunterschied zwi schen dem Kaltwasser und den kalten Rauch gasen (zwischen den Punkten 1 und 7) ist hier wesentlich grösser als der erwähnte kleinste Temperaturunterschied und bedeu tend grösser als der entsprechende Unter schied zwischen dem Kaltwasser und den kalten Rauchgasen bei einer normalen Dampfkraftanlage nach Abb. 1.
Das übliche Verfahren zur Abwärmeverwertung weist also einen schlechten Wirkungsgrad auf, denn die ins Freie abgeführten Abgase haben eine zu hohe Temperatur, und weil es mit Rücksicht auf den kleinsten Temperatur unterschied am Anfange der Verdampfungs- fläche nicht möglich ist, einen genügend hohen Dampfdruck zu wählen, wie es zur Erreichung eines günstigen Dampfverbrau ches der angeschlossenen Dampfturbine oder Dampfmaschine nötig wäre.
Die erwähnten Nachteile werden durch das erfindungsgemässe Verfahren zur Ab wärmeverwertung vermieden, deren Tempera turverlauf beispielsweise in Abb. 3 der bei liegenden Zeichnung dargestellt ist.
Erfindungsgemäss wird bei diesem Ver fahren im Abwärmekessel der Dampf nicht bei einem Drucke, sondern bei zwei oder mehreren verschiedenen Drücken (in Abb. 3 sind drei Druckstufen eingezeichnet), also bei zwei oder mehreren entsprechenden Siede temperaturen erzeugt. Durch eine geeignete Wahl des niedrigsten Druckes (bei Verwen dung von Kondensationsturbinen auch unter 1 atü) ist es dann möglich, eine niedrige Abgastemperatur zu erreichen.
Der höchste Druck, bei welchem die grösste Dampfmenge erzeugt wird, kann dabei genügend hoch ge wählt werden, um einen günstigen Dampf verbrauch der angeschlossenen Turbine er reichen zu können.
Das erfindungsgemässe Verfahren mit mehreren Druckstufen des erzeugten Damp fes ermöglicht also eine viel vollkommenere Wärmeverwertung als das bisherige Verfah ren mit nur einer Druckstufe. Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sind desto grösser, je höher die Druckstufenzahl ge wählt wird.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens besitzt einen Abwärmekessel, in welchem Dampf bei ver schiedenen. Drücken erzeugt wird, und eine 1Vlehrdruckdampfturbine, welcher der bei verschiedenen Drücken erzeugte Dampf in Stufen zugeführt wird, die die entsprechen den Drücke aufweisen.
In Dampfüberhitzern kann entweder der Dampf aller Druckstufen überhitzt werden, wie in Abb.3 veranschaulicht ist, oder es kann aus den niedrigeren Druckstufen der Saudampf unmittelbar in die Turbine ein geführt werden.
Nach der zur Verfügung stehenden Rauchgastemperatur kann in dem Abwärme kessel Wasserdampf oder der Dampf eines, andern geeigneten Stoffes erzeugt werden.
Bei kleinen Anlagen wird der Abwärme kessel als eine einzige bauliche Einheit aus geführt. Bei grossen Anlagen können die ein zelnen Kesseldruckstufen als selbständige Einheiten ausgeführt werden.
Die Leistungsregelung der angescUlos- senen Dampfturbine kann auf verschiedene Weise erfolgen: In Anlagen, in denen man beispielsweise die Abwärme von Gasturbinenabgasen ver wertet, leistet die Gasturbine den Hauptteil (etwa 65 %) und die Dampfturbine den Res der Arbeit_ Wenn keine grossen Ansprüche an die Geschwindigkeit des Regelvorganges im Normalbetrieb gestellt werden (z.
B. bei dem Gasturbinenschiffsantrieb), regelt man nur die Leistung der Gasturbine, und die Dampf turbine wird ohne Regelventile unmittelbar an den Kessel angeschlossen. Die Drücke in den einzelnen Kesselteilen ändern sich in die sem-Falle je nach der Belastung der Anlage. In den Dampfleitungen zur Turbine werden nur Schnellschlussventile und am Kessel Sicherheitsventile angeordnet.
Werden grosse Ansprüche an, die Regel geschwindigkeit gestellt (z. B. beim Antrieb eines elektrischen Generators durch eine Gasturbine), werden sowohl die Leistung der Gasturbine als auch die Leistung der Dampf turbine geregelt, und zwar entweder der Einfachheit halber nur die Dampfmenge der obersten Druckstufe, oder auch die Dampf mengen der niedrigeren Druckstufen.
Wenn nur die Dampfmenge der obersten Druck stufe geregelt wird, besteht bei plötzlichem Schliessen des Regelorganes die Gefahr, dass die niedrigeren Druckstufen des Kessels in folge der Drucksenkung in der Turbine eine zu grosse Dampfmenge liefern und dabei übersieden werden, so dass die Turbine durch eine grosse, aus dem Kessel mitgerissene Wassermenge beschädigt werden könnte.
Aus diesem Grunde werden die Schnell schlussventile an der Turbine vorteilhafter weise als Diffueorventile mit annähernd Schallgeschwindigkeit im engsten Quer schnitt ausgeführt; solche Ventile erlauben keine bedeutende Vergrösserung der Dampf menge.
Process and facility for waste heat recovery. A number of technical systems (smelters, combustion turbines or engines, etc.) produce large quantities of hot gases, the heat of which can be used by a waste heat boiler. Such Ibwärmekessel are little spread tet, because in most cases they promise too small a profit in relation to the construction and operating costs.
The working conditions of a plant for waste heat recovery are namely considerably worse than the conditions of a normal steam power plant, as will be detailed below.
For comparison and to clarify the advantages of the method according to the invention, the temperature profile in a normal steam power plant is shown in Fig. 1 of the accompanying drawing. As he can see, the smallest temperature difference between flue gases and water is always between the cold water and the cold flue gases Eiwischen points 1, 6), regardless of whether you have a low one. or selects a high steam pressure.
A normal steam power plant can therefore work both with a low exhaust gas temperature and with the most favorable steam pressure, i.e. with good efficiency.
In Fig. 2, the temperature profile is illustrated in a waste heat boiler of known Ausfüh tion. Here is the smallest temperature difference between the water and the flue gases at the beginning of the evaporation surface (between points 2 and 6).
The temperature difference between the cold water and the cold flue gases (between points 1 and 7) is here considerably larger than the mentioned smallest temperature difference and significantly larger than the corresponding difference between the cold water and the cold flue gases in a normal steam power plant as shown in Fig . 1.
The usual method of waste heat recovery is therefore poor, because the temperature of the exhaust gases discharged into the open is too high, and because, considering the smallest temperature difference at the beginning of the evaporation surface, it is not possible to select a sufficiently high vapor pressure how it would be necessary to achieve a favorable steam consumption of the connected steam turbine or steam engine.
The disadvantages mentioned are avoided by the inventive method for heat recovery from, the temperature curve of which is shown for example in Fig. 3 of the accompanying drawing.
According to the invention, in this process, the steam in the waste heat boiler is not generated at one pressure, but at two or more different pressures (three pressure levels are shown in Fig. 3), i.e. at two or more corresponding boiling temperatures. With a suitable choice of the lowest pressure (when using condensation turbines also below 1 atm) it is then possible to achieve a low exhaust gas temperature.
The highest pressure, at which the greatest amount of steam is generated, can be selected to be sufficiently high in order to be able to achieve favorable steam consumption for the connected turbine.
The inventive method with several pressure stages of the generated steam allows a much more complete heat recovery than the previous process ren with only one pressure stage. The advantages of the method according to the invention are greater, the higher the number of pressure stages selected.
The device according to the invention for carrying out the method has a waste heat boiler in which steam at various ver. Pressures is generated, and a 1Vlehrdruckdampfturbine, which the steam generated at different pressures is fed in stages that have the corresponding pressures.
In steam superheaters, either the steam from all pressure levels can be superheated, as shown in Fig. 3, or the steam from the lower pressure levels can be fed directly into the turbine.
According to the available flue gas temperature, water vapor or the steam of another suitable substance can be generated in the waste heat boiler.
In small systems, the waste heat boiler is designed as a single structural unit. In large systems, the individual boiler pressure levels can be designed as independent units.
The power of the connected steam turbine can be regulated in different ways: In systems in which, for example, the waste heat from gas turbine exhaust gases is utilized, the gas turbine does the main part (around 65%) and the steam turbine does the rest of the work_ If there are no major demands on the work Speed of the control process can be set in normal operation (e.g.
B. in the gas turbine ship propulsion), you only regulate the power of the gas turbine, and the steam turbine is connected directly to the boiler without control valves. The pressures in the individual boiler parts change in this case depending on the load on the system. Only quick-closing valves and safety valves on the boiler are installed in the steam lines to the turbine.
If high demands are made on the control speed (e.g. when driving an electric generator by a gas turbine), both the power of the gas turbine and the power of the steam turbine are regulated, either for the sake of simplicity only the amount of steam at the top Pressure stage, or the steam quantities of the lower pressure stages.
If only the amount of steam in the uppermost pressure stage is regulated, there is a risk that the lower pressure stages of the boiler, as a result of the pressure drop in the turbine, deliver too much steam as a result of the pressure drop in the turbine, so that the turbine is pushed over by a large one , the amount of water carried away from the boiler could be damaged.
For this reason, the quick-acting valves on the turbine are advantageously designed as diffuser valves with almost the speed of sound in the narrowest cross-section; such valves do not allow a significant increase in the amount of steam.