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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Energierückgewinnungssysteme,
und insbesondere betrifft sie die Verwendung von Wärmemotoren,
wie etwa Stirlingmotoren zur Energierückgewinnung.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bei
Anstrichmaterial bzw. Farbe handelt es sich üblicherweise um ein Feststoffpigment,
welches in einem flüssigen
flüchtigen
Lösungsmittel
aufgelöst
ist. Wenn die Farbe auf eine Fläche
gesprüht
wird, verdampft das flüchtige
Lösungsmittel,
während
das feste Pigment sich auf der Fläche ablagert. Diese flüchtigen
Lösungsmitteldämpfe, auf
die üblicherweise
als Farbdämpfe
Bezug genommen wird, sind gefährlich
und dürfen nicht
in die Atmosphäre
ausgetragen werden. Die Farbdämpfe
werden üblicherweise
ausgewaschen und verbrannt. Während
mit Hilfe neuerdings entwickelter Mittel zum Konzentrieren der Lösungsmitteldämpfe in
dem Auswaschgas derartige Aberzeugnisse verbrannt werden können, um
Energie bereitzustellen, kann die Konzentration von Lösungsmitteln
in den Farbdämpfen
von einigen Teilen pro Million (ppm) bis zu Tausenden von ppm reichen,
was dazu führt,
dass der Wärmewert
stark variiert. Es ist deshalb schwierig, Energie aus diesen Farbdämpfen aufgrund
der variierenden Pegel verbrennbarer Lösungsmittel rückzugewinnen.
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Es
besteht ein Bedarf an der Bereitstellung eines Energierückgewinnungssystems,
das geeignet ist, Energie aus konzentrier ten Farbdämpfen ungeachtet
Schwankungen der Lösungsmittelkonzentration
rückzugewinnen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Energierückgewinnungssystem bereit,
das geeignet ist, Rückgewinnungsenergie
aus Farbdämpfen
und anderen verbrennbaren flüchtigen
Mitteln zu erzeugen. Das System verwendet einen Wärmemotor,
wie etwa einen Stirlingmotor und einen zusätzlichen verbrennbaren Brennstoff, der
in Verbindung mit den Farbdämpfen
genutzt wird. Üblicherweise
empfängt
eine Verbrennungsanlage die Farbdämpfe sowie den zusätzlichen
Brennstoff von einer Brennstoffversorgung. Die Brennstoffversorgung
enthält
eine Brennstoffdrossel zum regulieren des Brennstoffmassendurchsatzes.
Ein Luftgebläse
stellt Luft für die
Verbrennungsanlage bereit. Der Wärmemotor
enthält
ein Heizgerät,
das Wärme
von der Verbrennungsanlage empfängt.
Ein Temperatursensor ermittelt die Temperatur des Heizgeräts, während ein
Kontroller die Kraftstoffdrossel zum Verändern des Kraftstoffmassendurchsatzes
auf Grundlage der Temperatur des Heizergeräts betriebsmäßig steuert.
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In Übereinstimmung
mit mehreren Aspekten verändert
der Kontroller den Brennstoffmassendurchsatz, um eine allgemein
konstante Temperatur des Heizgeräts
aufrecht zu erhalten. Die Farbdämpfe
werden typischerweise mit konstantem Massendurchsatz bereitgestellt,
obwohl die Konzentration von Lösungsmitteldampf
in den Farbdämpfen
von einem minimalen Pegel bis zu einem maximalen Pegel variiert.
Das System ist derart ausgelegt, dass der maximale Pegel an Lösungsmitteldampf
den Wärmemotor
nicht überheizt.
Beispielsweise kann der Wärmemotor
so bemessen sein, dass er den maximalen Pegel an Lösungsmittel dampf nutzt,
oder der Massendurchsatz der Farbdämpfe kann auf einen Pegel zum
Unterbinden von Überheizen
festgelegt werden. In ähnlicher
weise kann das System derart ausgelegt sein, dass das höchste Äquivalenzverhältnis (Luft/Brennstoffverhältnis zu
stoichiometrischem Verhältnis,
wie nachfolgend näher
erläutert)
nicht die magere Ausblasgrenze übersteigt,
sowie derart, dass das niedrigste Äquivalenzverhältnis nicht
die fette Überhitzungsgrenze übersteigt.
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Außerdem kann
das Energierückgewinnungssystem
eine Luftdrossel zum Regeln des Luftmassendurchsatzes enthalten.
Der Kontroller kann betriebsmäßig die
Luftdrossel steuern, um den Luftmassendurchsatz auf Grundlage der
Stellung der Brennstoffdrossel zu regeln. Außerdem enthält das Energierückgewinnungssystem
bevorzugt einen Sauerstoffsensor zum Ermitteln des Sauerstoffpegels
bzw. -gehalts in dem Abgas. Der Kontroller vermag dadurch außerdem die
Luftdrossel auf Grundlage des Sauerstoffpegels im Abgas zu steuern.
Auf diese Weise kann das Äquivalenzverhältnis auf
einem allgemein konstanten Pegel gehalten werden, wodurch verhindert
wird, dass die Verbrennungsanlage die magere Ausblasgrenze oder
die reiche Überhitzungsgrenze
erreicht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
anliegenden Zeichnungen, die einen Teil der Erfindung bilden, zeigen
mehrere Aspekte der Erfindung und gemeinsam mit der Beschreibung
dienen sie dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. In
den Zeichnungen zeigt die (einzige) Figur schematisch ein Energierückgewinnungssystem
in Übereinstimmung
mit den Lehren der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Energierückgewinnungssystem 20 in Übereinstimmung
mit den Lehren der vorliegenden Erfindung ist in der einzigen Figur
der Zeichnung gezeigt. Das Energierückgewinnungssystem 20 wird üblicherweise
verwendet zum Rückgewinnen
von Energie aus Farbdämpfen 22,
die in einem Bereich gesammelt werden, in welchem Farbanstreichen
stattfindet. Es wird bemerkt, dass das Energierückgewinnungssystem 20 mit
zahlreichen anderen verbrennbaren Mitteln, Lösungsmitteln oder Dämpfen verwendet
werden kann, und dass das System 20 lediglich beispielhaft
in Bezug auf Farbdämpfe 22 erläutert wird.
Ein Prozess ist kürzlich
entwickelt worden, demnach die Farbdämpfe mit Stickstoff ausgewaschen
werden, wobei das Gemisch aus Lösungsmitteldämpfen und
Stickstoff einem (nicht gezeigten) Konzentrator zugeführt wird,
in welchem die Konzentrierung der Lösungsmitteldämpfe erhöht wird,
bis die Mischung (vorliegend als Farbdämpfe 22 bezeichnet)
einen ausreichend hohen Wärmewert
besitzt, um als Brennstoff dienen zu können. Der Konzentrator führt einen
konstanten Massendurchsatz an Farbdämpfen 22 zu; wie vorstehend
angesprochen, variiert bzw. schwankt jedoch die Konzentration der
Lösungsmittel
in den Dämpfen 22 in
großem
Umfang zwischen minimalem Pegel und maximalem Pegel. Typischerweise ändert sich
die Zusammensetzung der Lösungsmittel
in den Farbdämpfen 22 nicht
merklich, obwohl das System so eingestellt werden kann, dass eine
bestimmte Abwandlung der Lösungsmittelzusammensetzung
aufgenommen werden kann. Als solches sind der Lösungsmittelwärmewert
und das stoichiometrische Luft/Brennstoffverhältnis im Wesentlichen konstant.
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Die
Dämpfe 22 werden
einem Wärmemotor 24 zur
Rückgewinnung
von Energie zugeführt.
Der Wärmemotor 24,
der in Verbindung mit dem Energierückgewinnungssystem 20 zum
Einsatz kommt, kann einen Stirlingkreislaufwärmemotor ähnlich demjenigen umfassen,
der kürzlich
durch die Inhaberin der vorliegenden Erfindung, die STM Power, Inc.
entwickelt worden ist, einschließlich denjenigen Wärmemotoren,
die erläutert sind
in den US-Patenten Nrn. 4,996,841; 5,074,114; 5,611,201; 5,706,659;
5,722,239; 5,771,694; 5,813,229; 5,836,846; 5,864,770. Auf die Offenbarung
dieser Druckschriften wird Bezug genommen.
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Der
Wärmemotor 24 enthält einen
Kombustor bzw. eine Verbrennungsanlage 26, ein Heizgerät 28 und einen
Wärmetauscher
bzw. -rekuperator, welche Geräte
sämtlich
zum Stand der Technik gehören.
Diese Einrichtungen sind im einzelnen in den vorstehend genannten
Patenten offenbart, und ein bevorzugter Kombustor ist durch den
Inhaber der vorliegenden Anmeldung, die STM Power, Inc. entwickelt
worden, wie in US-Patent Nr. 5,921,764 offenbart, auf die vorliegend
Bezug genommen wird. Diese Elemente, einschließlich dem Kombustor bzw. der
Verbrennungsanlage 26 können
getrennt von dem Motor 24 gebildet sein oder in diesem
integriert sein, wie in den US-Patenten Nrn. 5,074,114 und 5,388,409
offenbart, auf deren Offenbarung Bezug genommen wird. In ähnlicher
Weise ist eine bevorzugte Konstruktion des Heizgeräts 28 im
US-Patent Nr. 6,282,895 gezeigt, auf deren Offenbarung Bezug genommen
wird.
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Um
die Einschränkungen
zu überwinden,
die durch das Verändern
der Konzentration des Lösungsmitteldampfes
in den Farbdämpfen 22 hervorgerufen
wird, wird der Wärmemotor 24 und
sein Kombustor 28 zusätzlicher
Brennstoff 32 zugeführt.
Bei dem Brennstoff 32 handelt es sich um verbrennbaren
Brennstoff, bevorzugt um Gas, wie etwa natürliches Gas, Propan oder anderen
hochqualitativen Brennstoff. Eine Kraftstoffversorgung 34 um fasst
einen Druckregler 36 und eine Brennstoffdrossel 38 zum
Regeln des Massendurchsatzes des Brennstoffs 32, der dem
Kombustor 26 geliefert wird. Der Kombustor 26 verbrennt
die Farbdämpfe 22, die
mit dem zusätzlichen
Brennstoff 32 gemischt sind. Ein Gebläse 40 stellt Luft 42 für den Kombustor 26 bereit,
damit diese sich mit den Dämpfen 22 und
dem Brennstoff 32 mischt. Ein konstanter Massendurchsatz
an Verbrennungsluft 42 kann allgemein durch das Gebläse 40 dem
Kombustor 26 zugeführt
werden, obwohl der Massendurchsatz auch anderweitig gesteuert werden
kann, wie nachfolgend erläutert.
Die Verbrennungsprodukte von dem Kombustor 26 strömen durch
das Heizgerät 28 und
den Wärmetauscher 30,
der ihnen Wärmeenergie
entzieht. Die Verbrennungsprodukte werden daraufhin dem Wärmemotor 24 als
Abgas 54 entzogen.
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Um
die Konzentrationsabweichungen des Lösungsmitteldampfs in den Farbdämpfen 22 zu
kompensieren bzw. aufzunehmen und damit Schwankungen des Wärmewerts
der Dämpfe 22,
ist ein Sensor 46 in Verbindung mit dem Heizgerät 28 zur
Erfassung von Temperatur vorgesehen. Der Sensor 46 kann
an Rohren angebracht sein, die in dem Heizgerät 28 enthalten sind
und das Arbeitsfluid führen,
welches durch den Kombustor 26 erhitzt wird. Ein Temperatursignal 48 wird
zu einem Kontroller 50 geschickt, der seinerseits betriebsmäßig mit
der Brennstoffdrossel verbunden ist. Bei dem Temperatursensor 46 handelt
es sich bevorzugt um einen Proportional-Integral-Derivativ-(PID)-Sensor
zur Steuerung in einem geschlossenen Kreislauf, wie an sich bekannt.
In der bevorzugten Konstruktion betreibt der Kontroller 50 die
Brennstoffdrossel 52, um in dem Heizgerät 28 eine allgemeine
konstante Temperatur aufrecht zu erhalten. Der Begriff "allgemein konstant" bedeutet in der
vorliegenden Verwendung eine Schwankung, die kleiner ist als plus
oder minus 5% oder ±50 Grad
Celsius. Auf Grundlage der Temperatur des Heizgeräts 28 kann
demnach eine geeignete Menge an zusätzlichem Brennstoff 32 dem
Wärmemotor 24 bereitgestellt
werden, um aus den Farbdämpfen 22 Energie
zu extrahieren.
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Es
wird bemerkt, dass selbst dann, wenn kein zusätzlicher Brennstoff 32 bereitgestellt
wird, die maximale Konzentration des Lösungsmitteldampfs in den Dämpfen 22 nicht
zu einer Überhitzung
des Motors 24 führen
muss. Der maximale Pegel der Lösungsmittelkonzentration
wird deshalb im Vorneherein identifiziert und das System ist dazu
ausgelegt, Überhitzung
zu unterbinden. Beispielsweise kann die Größe des Wärmemittels 24 auf
Grundlage dieses maximalen Pegels gewählt werden. Mehrere Wärmemotoren 24 kommen
außerdem
zum Einsatz, und der Strom an Farbdämpfen 22 kann aufgeteilt
werden, damit dieser jedem Wärmemotor
des Systems 20 zuführbar
ist. In ähnlicher
Weise kann der Massendurchsatz der Farbdämpfe 22, die aus dem
Konzentrat herrühren,
auf Grundlage der Kapazität
des Wärmemotors 24 gewählt werden.
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Wie
an sich bekannt, unterscheidet sich das Verhältnis der Verbrennungsluft
42 zu
dem gemischten Brennstoff
22,
32 häufig von
den stoichiometrischen Verhältnis
und das Verhältnis
des Luft/Brennstoffverhältnis
zu dem stoichiometrischen Verhältnis
wird als Äquivalenzverhältnis bezeichnet.
Wenn das Äquivalenzverhältnis über eins
liegt, läuft
der Motor "mager", und wenn es kleiner
als eins ist, läuft
der Motor "fett". Wenn die Brennstoffdrossel
38 so
betrieben wird, dass sie eine konstante Temperatur des Heizgeräts
28 aufrecht
erhält, und
wenn der Massendurchsatz konstant ist, kann das Äquivalenzverhältnis (λ) ausgedrückt werden
als
wobei
m der Massendurchsatz ist, wobei C die Massefraktion an Lösungsmitteln
in den Dämpfen
22 ist,
wobei ρ das
Luft/Brennstoffmasseverhältnis
ist, wobei h der Heizwert ist, wobei Q die gesamte Brennstoffwärme ist, die
in den Kombustor
26 eingegeben wird, und wobei λ das Äquivalenzverhältnis ist.
Der Index s bezieht sich auf Lösungsmittel,
der Index f bezieht sich auf Dämpfe
22,
der Index g bezieht sich auf das Gas
32 und der Index a
bezieht sich auf die Luft
42.
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Das
Verhalten des Luft/Brennstoffverhältnisses (und damit dasjenige
von λ) hängt von
dem Vorzeichen des Ausdrucks (ρghs – ρshg) ab. Wenn dieser Ausdruck positiv ist,
führt eine
Erhöhung
der Lösungsmittelkonzentration
zu einer Abmagerung der Verbrennung. Wenn dieser Ausdruck negativ
ist, führt
eine Erhöhung
der Lösungsmittelkonzentration
zu einem Anfetten bzw. Fetterwerden der Verbrennung. Die höchsten und
niedrigsten Äquivalenzwerte
werden deshalb für
jede der beiden vorstehend genannten Situation berechnet (das heißt, eine
Erhöhung
der Lösungsmittelkonzentration
führt entweder
zu einer Abmagerung oder zu einer Anfettung der Verbrennung).
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Das
höchste Äquivalenzverhältnis λ sollte deshalb
die magere Ausblasgrenze nicht übersteigen
(das heißt,
die Menge an verbrennbarem Brennstoff ist unzureichend, um die Verbrennung
zu stützen)
und das niedrigste Äquivalenzverhältnis sollte
die fette Überhitzungsgrenze
nicht überschreiten
(das heißt,
die Menge an verbrennbarem Brennstoff ist zu hoch, um die Verbrennung
zu stützen).
Das System 20 kann so ausgelegt sein, dass es diese Beschränkungen
zulässt.
Beispielsweise kann der Kontroller 50 die Brennstoffdrossel 28 betätigen, damit
diese das Luft/Brennstoffverhältnis
regelt, um ein Überschreiten
von jeder dieser Grenzen zu vermeiden. In ähnlicher Weise kann der Wärmemotor 24 bezüglich seines
Kreislaufs ein- und ausgeschaltet werden. Stärker bevorzugt, können diese
beiden Anforderungen erfüllt
werden durch Modulieren des Massendurchsatzes an Luft 42.
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Wie
in der Figur gezeigt, nutzt der Kontroller 20 ein Steuersignal 60 zum
Betätigen
der Luftdrossel 44 und zum Regeln des Luft/Brennstoffverhältnisses.
Die Luftdrossel 44 kann auf Grundlage des vorbestimmten Verhaltens
des Äquivalenzverhältnisses λ gesteuert
werden, und zwar durch die Betätigung/Position
der Brennstoffdrossel 38. Das Energiesystem 20 enthält jedoch
bevorzugt den Sauerstoffsensor 56 zur Steuerung der Luftdrossel 44.
Der Sauerstoffsensor 56 kommt stromabwärts von dem Wärmemotor 24 zu
liegen, und der Rekuperator 30 dient zum Erfassen des Sauerstoffpegels
in dem Abgas 54. Bei dem Sauerstoffsensor 56 handelt
es sich bevorzugt um einen PID-Sensor.
Das Signal 58, welches den Sauerstoffpegel in dem Abgas 54 anzeigt,
wird zu dem Kontroller 50 übertragen, der seinerseits
diese Daten zur Betätigung
der Luftdrossel 44 nutzen kann. Insbesondere kann die Luftdrossel 44 betätigt werden,
um einen konstanten Sauerstoffpegel in dem Abgas 54 aufrecht
zu erhalten. Der Kontroller kann in ähnlicher Weise die Luftdrossel 44 betätigen, um ein
konstantes Äquivalenzverhältnis λ aufrecht
zu erhalten, oder um zumindest zu gewährleisten, dass das Äquivalenzverhältnis λ weder die
magere Ausblasgrenze noch die fette Überhitzungsgrenze übersteigt,
wie vorstehend erläutert.
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Einem
Fachmann auf diesem Gebiet der Technik erschließt sich, dass das erfindungsgemäße Energierückgewinnungssystem 20 eine
Energierückgewinnung
aus Farbdämpfen 22 ermöglicht,
die variierende bzw. schwankende Pegel an Lösungsmittelkonzentration aufweisen,
wodurch die Wärmeenergiepegel
variieren. Ein Wärmemotor,
wie etwa ein Stirlingkreislaufwärmemotor
stellt ein zuverlässiges
und effizientes Verfahren zum Extrahieren von Wärme aus den Farbdämpfen bereit
durch Kombinieren der Farbdämpfe
mit zusätzlichem
Brennstoff. In Kombination mit einer Rückkopplungssteuerschleife,
die mit dem Heizgerät
des Wärmemotors
verbunden ist bzw. zusammenwirkt, wird damit eine konstante Röhrentemperatur
in dem Heizgerät
aufrecht erhalten, um eine zuverlässige Energierückgewinnung
aus den Farbdämpfen
zu gewährleisten.
Das System kann problemlos so zugeschnitten sein, dass eine Überhitzung
des Motors vermieden wird, und durch zusätzliches Vorsehen einer Luftdrossel
und bevorzugt eines Sauerstoffsensors im Abgaspfad kann eine verbesserte
Steuerung der Betriebsparameter des Energierückgewinnungssystems 20 problemlos
erzielt werden.
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Die
vorstehend angeführte
Erläuterung
verschiedener Ausführungsformen
der Erfindung sind zu Illustrations- und Erläuterungszwecken angeführt. Es
wird bemerkt, dass diese Ausführungsformen
die Erfindung nicht beschränken,
die vielmehr zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen angesichts
der vorstehend angeführten
Lehren zugänglich
ist. Die gewählten
und erläuterten
Ausführungsformen
stellen eine Illustration der Prinzipien der Erfindung dar sowie
ihrer praktischen Anwendungen, um den durchschnittlichen Fachmann
auf diesem Gebiet der Technik in die Lage zu versetzen, die Erfindung
in die verschiedenen Ausführungsformen einzusetzen
einschließlich
verschiedener Modifikationen, die für den in Betracht gezoge nen
Einsatz geeignet sind. Sämtliche
dieser Modifikationen und Abwandlungen liegen im Umfang der Erfindung,
die in den anliegenden Ansprüchen
festgelegt ist.
