Verfahren und Anlage zur Verwertung von in einem intermittierend anfallenden Wärme träger, insbesondere in Abgasen, enthaltener Wärme Das Patent betrifft ein Verfahren zur Ver wertung von in einem intermittierend anfal lenden Wärmeträger, insbesondere in Ab gasen, enthaltener Wärme in einer Wärme kraftanlage und eine Anlage zur Ausführung dieses Verfahrens.
Bei industriellen Anlagen, beispielsweise im Gebiete der Stahlerzeugung, kann es vor= kommen, dass im Gefolge eines periodisch sich abspielenden Prozesses heisse Abgase inter- mittierend anfallen. Will man mir Verwertung der darin enthaltenen Abwärme mit diesen Abgasen das Arbeitsmittel einer Wärmekraft anlage aufheizen, so genügt im allgemeinen die normale Speicherfähigkeit des Erhitzers nicht, um den Betrieb auch während der Zeit des Aussetzens der Abgase aufrechtzuerhal ten.
Beim Unterbruch der Heizgaslieferung sinkt beispielsweise die Temperatur dies Arbeitsmittels einer Gasturbinenanlage rasch, was nicht nur einen raschen Abfall der Lei stungsabgabe, sondern auch ungünstige ther mische Beanspruchung der Baustoffe der Tur bine zur Folge hat.
Die Erfindung bezweckt nun, bei der Ver- wertung von in einem intermittierend anfal lenden Wärmeträger, insbesondere in Ab gasen, enthaltener Wärme in einer Wärme- kraftanlage eine möglichst gleichmässige Wärmezufuhr auch in der Zeit des Aussetzens des Wärmeträgers zu erhalten. Zu diesem Behufe gibt beim erfindungsgemässen Verfah- ren in der Periode des
Anfallen3 dieses Wärmeträgers ein Teil davon Wärme an einen Wärmespeicher ab, und überträgt der verbleibende Teil Wärme durch feste Wärme- austauschwände an das Arbeitsmittel der Wärmekraftanlage. In der Periode des Aus setzen & des Wärmeträgers wird dagegen Wärme vom Wärmespeicher an das Arbeits- mittel der Wärmekraftanlage abgegeben.
Zweckmässig wird für die Übertragung der Wärme vom Wärmespeicher an das Arbeits- mittel der Wärmekraftanlage ein gasförmiger Zwischenwärmeträger, vorzugsweise atmosphä rische Luft, verwendet, welcher in der Periode des Aussetzens des Wärmeträger,
durch den Wärmespeicher erhitzt wird und seinerseits durch die festen Wärmeaustauschwände min- destens einen Teil der vom Speicher aufge nommenen Wärme an das Arbeitsmittel der Wärmekraftanlage überträgt.
In der Zeichnung ist in vereinfachter Dar- stellung .eine Anlage zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens beispielsweise veranschaulicht, an. Hand welcher auch das Verfahren erläutert wird.
Die im Wärmeträger anfallende Abwärme wird hierbei :in. einer Heissluftturbinenanlage mit geschlossenem Arbeitsprozess ausgenützt. Diese Wärmekraftanlage weist einen Erhitzer 1 auf, in welchem ein verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel erhitzt wird.
Dieses entspannt sodann in einer Turbine 2, durchströmt nach Verlassen dieser Turbine einen Wärmeaus tauscher 3 und einen Kühler 4, um hierauf in einem Verdichter 5 wieder auf den ursprüng lichen Druck verdichtet zu werden. Das ver-" dichtete Arbeitsmittel wird vorerst im Wärme au stauscher 3 von dem die Turbine 2 verlas senden Arbeitsmittel vorgewärmt und gelangt hierauf wieder in den Erhitzer 1, wobei sieh der Kreislauf schliesst.
Der Überschuss der Turbinenleistung über die Leistungsaufnahme des Verdichters wird an einen elektrischen Stromerzeuger 6 abgegeben.
Durch -eine mit einem Absperrventil 7 ver sehene Leitung 8 wird ein von einer nicht gezeichneten industriellen Anlage intermittie- rend anfallender Wärmeträger, beispielsweise heisse Abgase, zugeführt. Diese Leitung steht einerseits über eine Leitung 9 mit dem Er hitzer 1 der Wärmekraftanlage und anderseits durch eine Leitung 10 mit einem Wärmespei- cher 11 in Verbindung, welcher als wärmespei cherndes Material beispielsweise aus feuer festem Baustoff bestehende Gittersteine ent hält.
In der Periode des Anfallens d'es Wärme trägers wird ein Teil davon durch die Leitung 10- in den Wärmespeicher 11 geleitet, und die ser Teil gibt dabei Wärme an diesen Wärme speicher ab und verlässt ihn hierauf durch eine mit einem Absperrventil 12 versehene Leitung 13.
Der verbleibende Teil des Wärmeträgers durchströmt die Leitung 9 und gelangt in den Erhitzer 1. Im Erhitzer überträgt dieser Teil durch die Wände der Erhitzerrohre Wärme an das Arbeitsmittel der Wärmekraftanl.a.ge. Er verlässt hierauf den Erhitzer durch eine mit einem Absperrventil 14 versehene Leitung 15 und vereinigt sieh in der Leitung 13 mit dem durch den Wärmespeicher 11 strömenden Teil, um mit diesem gemeinsam abgeleitet zu wer den.
Der die Leitung 13 verlassende Wärme träger ist hierbei schon weitgehend abgekühlt. Da es sich bei diesem Wärmeträger zumeist um staubhaltige Abgase handelt, sind sie in der Regel noch einem Reinigungsvorgang zu unterziehen, bevor sie in die Atmosphäre aus gestossen werden.
In der Periode des Aussetzens des Wärme trägers wird das Ventil 7 geschlossen. Durch ein von einem Motor 16 angetriebenes Gebläse 17 wird während dieser Zeit aus der Atmo sphäre durch eine Leitung 18 Luft angesaugt und durch eine weitere Leitung 19, welche mit einem Absperrventil 20 versehen ist, in den Wärmespeicher 11 geleitet. Das in der Leitung 13 angeordnete Ventil 12 ist. hierbei geschlossen. Die Luft nimmt im Wärmespei cher 11 von diesem Wärme auf.
Sie dient als Zwischenwärmeträger und wird sodann durch die Leitung 9 in den Erhitzer 1 geführt, wobei sie mindestens einen Teil der vom Speicher aufgenommenen Wärme an das Arbeitsmittel der Wärmekraftanlage abgibt.
In der Zeit des Anfal'lens des Wärmeträ gers sind die Ventile 7, 12 und 14 offen, das Ventil 20 dagegen, ist geschlossen. In der Zeit des Aussetzens des Wärmeträgers sind da gegen die Ventile 20 und 14 offen, während die Ventile 7 und 12 geschlossen sind.
Es sind somit umschaltbare Mittel vorhanden, welche einerseits den anfallenden Wärmeträ ger teils zu dem der Erhitzung des Arbeits mittels der Wärmekraftanlage dienenden Er hitzer 1 und teils mi dem Wärmespeicher 11 zu leiten gestatten und anderseits einen gas förmigen Zwischenwärmeträger nacheinander durch den Wärmespeicher 11 und den Er hitzer 1 des Arbeitsmittels zu leiten gestatten, so da.ss dieser Zwischenwärmeträger vom Wärmespeicher aufgenommene Wärme im Erhitzer durch die festen Wärmeaustausch wände,
das heisst die Erhitzerrohre, an das Arbeitsmittel abgibt.
Bei der dargestellten Anlage gestatten fer ner die umschaltbaren Mittel, als Zwischen wärmeträger von der Atmosphäre entnommene Luft nacheinander durch den Wärmespeicher 11 und den Erhitzer 1 zu leiten.
Im weiteren ist noch eine mit einem Ab sperrventil 21 versehene Leitung 22 vorhan den. Diese verbindet die Leitung 10 mit, der Atmosphäre. Im normalen Betrieb der Wärmekraft anlage ist das Ventil 21 sowohl während der Zeit des Anfallens des Wärmeträgers wie auch während der Zeit des Aussetäens ge schlossen.
Es kann. aber vorkommen, dass die Wärme kraftanlage aus irgendwelchen Gründen ausser Betrieb gesetzt wird. In diesem Falle ist wäh rend der Periode des Anfallens des Wärme trägers dessen gesamte Menge durch den Wärmespeicher zu leiten, um hinreichend ab gekühlt zu -werden zur Ermöglichung einer allfälligen nachfolgenden Reinigung. Dann ist das Ventil 14 geschlossen. Die Ventile 7 und 12 bleiben dagegen offen. Die Ventile 20 und 21 verbleiben wie im Falle des Betriebes der Wärmekraftanlage in geschlossenem Zu stand.
In der Zeit des Aussetzens des Wärme trägers werden dagegen die Ventile 7 und 12 geschlossen. Die Ventile 20 und 21 werden geöffnet. Die von der Atmosphäre angesaugte Luft wird nun durch den Verdichter 17 in den Wärmespeicher 11 gefördert und erhitzt. Sie kann aber nach Verlassen des Wärmespei chers nicht -wie im normalen Betriebsfall durch den Erhitzer 1 strömen, da das Ventil 14 geschlossen ist.
Die den Wärmespeicher verlassende Luft wird vielmehr unter Um gehung des Erhitzers durch die Leitung 22 unmittelbar abgeleitet. Bei diesem Vorgang kühlt sich der Wärmespeicher 1.1 Wieder so weit ab, dass er seinerseits bei Beginn der nachfolgenden Periode wieder bereit ist, Wärme von den anfallenden, durch die Lei tung 8 zugeführten Abgasen aufzunehmen.
Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass auch m einer Zeit, in welcher eine Ver wertung der im intermittierend anfallenden Wärmeträger enthaltenen Wärme in einer Wärmekraftanlage nicht vorgesehen ist, dieser Wärmeträger doch hinreichend abgekühlt wird, um beispielsweise einer nachfolgenden Reinigung unterworfen werden zu können. Es ist hierbei vorteilhaft, dass zu dieser Abküh lung nicht, wie es bisher oft üblich war.
Was ser verwendet wird, was insbesondere dann von Wichtigkeit ist, wenn allfällige Wasser- einbrüche den die Heissgase erzeugenden Pro zess stören oder sogar Explosionen hervor rufen könnten.
Method and system for the utilization of heat contained in an intermittently occurring heat carrier, in particular in exhaust gases The patent relates to a method for the recovery of heat contained in an intermittently occurring heat carrier, in particular in exhaust gases, in a thermal power plant and a system for Perform this procedure.
In industrial plants, for example in the field of steel production, it can happen that hot exhaust gases are produced intermittently as a result of a periodic process. If you want to use the waste heat contained therein with these exhaust gases to heat the working fluid of a thermal power plant, the normal storage capacity of the heater is generally not sufficient to maintain operation even during the period of exposure to the exhaust gases.
When the supply of heating gas is interrupted, for example, the temperature of this working medium of a gas turbine system drops rapidly, which not only results in a rapid drop in the power delivery, but also in an unfavorable thermal stress on the building materials of the turbine.
The aim of the invention is to obtain a heat supply that is as uniform as possible even when the heat carrier is exposed when utilizing heat contained in an intermittently occurring heat carrier, in particular in exhaust gases. For this purpose, in the method according to the invention in the period of
If 3 of this heat transfer medium occurs, part of it transfers heat to a heat accumulator, and the remaining part transfers heat through fixed heat exchange walls to the working fluid of the thermal power plant. In the period when the heat transfer medium is switched off, however, heat is transferred from the heat accumulator to the working fluid of the thermal power plant.
A gaseous intermediate heat transfer medium, preferably atmospheric air, is expediently used for the transfer of heat from the heat accumulator to the working medium of the thermal power plant, which in the period in which the heat transfer medium is
is heated by the heat accumulator and in turn transfers at least part of the heat absorbed by the accumulator to the working fluid of the thermal power plant through the fixed heat exchange walls.
In the drawing, a system for executing the method according to the invention is illustrated, for example, in a simplified representation. Hand which also explains the procedure.
The waste heat generated in the heat transfer medium is: in. a hot air turbine system with a closed work process. This thermal power plant has a heater 1 in which a compressed gaseous working medium is heated.
This then relaxes in a turbine 2, flows through a Wärmeaus exchanger 3 and a cooler 4 after leaving this turbine, in order to be compressed again in a compressor 5 to the original pressure. The compressed working medium is initially preheated in the heat exchanger 3 by which the working medium leaves the turbine 2 and then returns to the heater 1, whereby the circuit closes.
The excess of the turbine power over the power consumption of the compressor is delivered to an electrical power generator 6.
Through a line 8 provided with a shut-off valve 7, a heat transfer medium, for example hot exhaust gases, which occurs intermittently from an industrial plant (not shown) is supplied. This line is connected on the one hand via a line 9 to the heater 1 of the thermal power plant and on the other hand via a line 10 to a heat accumulator 11 which, as a heat-accumulating material, contains lattice bricks made of refractory building material.
In the period of accumulation d'es heat carrier, part of it is passed through the line 10- into the heat accumulator 11, and this part gives off heat to this heat accumulator and then leaves it through a line 13 provided with a shut-off valve 12 .
The remaining part of the heat transfer medium flows through the line 9 and reaches the heater 1. In the heater, this part transfers heat through the walls of the heater tubes to the working fluid of the Wärmekraftanl.a.ge. He then leaves the heater through a line 15 provided with a shut-off valve 14 and unites see in line 13 with the part flowing through the heat accumulator 11, in order to be discharged together with it.
The heat carrier leaving the line 13 has already largely cooled down. Since these heat carriers are mostly dusty exhaust gases, they usually have to be subjected to a cleaning process before they are expelled into the atmosphere.
In the period of exposure to the heat carrier, the valve 7 is closed. During this time, air is sucked in through a line 18 by a fan 17 driven by a motor 16 from the atmosphere and passed into the heat accumulator 11 through a further line 19, which is provided with a shut-off valve 20. The valve 12 arranged in the line 13 is. closed here. The air takes in the Wärmespei cher 11 from this heat.
It serves as an intermediate heat transfer medium and is then passed through the line 9 into the heater 1, where it gives off at least part of the heat absorbed by the memory to the working fluid of the thermal power plant.
When the heat transfer device is on, the valves 7, 12 and 14 are open, while the valve 20 is closed. At the time of exposure of the heat transfer medium there are open against the valves 20 and 14, while the valves 7 and 12 are closed.
There are thus switchable means, which on the one hand allow the accumulating heat transfer medium to be routed partly to the heater 1, which is used to heat the work by means of the thermal power plant, and partly to the heat accumulator 11 and, on the other hand, a gaseous intermediate heat transfer medium successively through the heat accumulator 11 and the Er Allow heater 1 of the working medium to be conducted so that this intermediate heat transfer medium heats absorbed by the heat accumulator in the heater through the solid heat exchange walls,
that is, the heater tubes to which the working fluid is delivered.
In the system shown, the switchable means allow air removed from the atmosphere as an intermediate heat transfer medium to be passed through the heat accumulator 11 and the heater 1 one after the other.
In addition, a line 22 provided with a shut-off valve 21 is also available. This connects the line 10 with the atmosphere. In normal operation of the thermal power plant, the valve 21 is closed both during the time of the accumulation of the heat carrier and during the time of Aussetäens.
It can. but it can happen that the thermal power plant is put out of operation for whatever reason. In this case, during the period in which the heat carrier accumulates, its entire amount must be passed through the heat accumulator in order to be sufficiently cooled to enable any subsequent cleaning. Then the valve 14 is closed. The valves 7 and 12, however, remain open. The valves 20 and 21 remain in the closed state as in the case of the operation of the thermal power plant.
In the time of exposure of the heat carrier, however, the valves 7 and 12 are closed. The valves 20 and 21 are opened. The air sucked in from the atmosphere is now conveyed by the compressor 17 into the heat accumulator 11 and heated. But you can after leaving the Wärmespei chers not -as in normal operation flow through the heater 1, since the valve 14 is closed.
Rather, the air leaving the heat accumulator is diverted directly through line 22, bypassing the heater. During this process, the heat accumulator 1.1 cools down again to such an extent that, at the beginning of the following period, it is ready again to absorb heat from the exhaust gases supplied through the line 8.
Such an arrangement has the advantage that even at a time in which the heat contained in the intermittently occurring heat transfer medium is not used in a thermal power plant, this heat transfer medium is cooled sufficiently to be able to be subjected to subsequent cleaning, for example. It is advantageous here that this cooling is not carried out, as was often the case up to now.
What is used, which is particularly important if any water ingress could disrupt the process that generates the hot gases or even cause explosions.