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Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Metallverarbeitung, insbesondere z. B. die Herstellung von Halbzeugen aus Stahl in Stahlwerken.
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In Stahlwerken werden üblicherweise sehr große Wärmemengen zur Schaffung und Weiterverarbeitung von Rohstahl aufgewendet. Ausgehend von dem schmelzflüssigen Zustand des Stahls wird dieser als ein quasi-endloser Materialstrang oder in Form einzelner Stücke (z. B. so genannte "Brammen") mit einer Temperatur von einigen 100°C entlang einer Förderstrecke des Stahlwerkes transportiert.
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Im Verlauf der Förderstrecke, die typischerweise als Rollenförderstrecke ausgebildet ist, können diese heißen metallischen Zwischenprodukte beispielsweise durch Warmwalzen weiterverarbeitet werden. Dazu werden diese im glühenden Zustand auf einer so genannten Warmwalzstraße zum gewünschten Halbzeug gewalzt. Resultierendes Flachmaterial (z. B. Stahlblech) wird im Rahmen dieser Verarbeitung üblicherweise zu so genannten Coils aufgespult. Auch solche Coils weisen in der Regel noch eine Temperatur von deutlich über 100°C auf.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bei Metallverarbeitungsprozessen aufgewendeten Wärmemengen besser auszunutzen, um damit Stahlwerke der vorstehend beschriebenen Art oder andere Metallverarbeitungsanlagen aus energetischer Sicht wirtschaftlicher betreiben zu können.
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Gemäß eines Aspekts der Erfindung ist hierzu ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus einem über 100°C heißen metallischen Zwischenprodukt vorgesehen, das in einer Metallverarbeitungsanlage entlang einer Förderstrecke transportiert wird, umfassend die Schritte:
- – Einbringen des Zwischenproduktes in eine im Verlauf der Förderstrecke angeordnete, mit einem Kühlmediumeinlass und einem Kühlmediumauslass versehene Wärmeaustauschkammer,
- – Zuführen eines Kühlmediums über den Kühlmediumeinlass in die Wärmeaustauschkammer,
- – Abführen von durch Wärmeabgabe des Zwischenproduktes erwärmten Kühlmediums über den Kühlmediumauslass, und
- – Gewinnen von Wärme aus dem abgeführten erwärmten Kühlmedium, insbesondere zur Nutzung dieser Wärme zum Betrieb einer Dampfturbine und/oder in einem anderen wärmekonsumierenden Prozess (z. B. zu Temperierungs- oder Heizzwecken).
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Mit der Erfindung ist vorteilhaft eine systematische zusätzliche Nutzung der eingangs erwähnten, prozessbedingt ohnehin aufzuwendenden Wärmemengen ermöglicht. Es wird damit eine leistungsfähige und für viele Arten von "Heißbetrieben" wie z. B. Stahlwerken geeigneten Methode zur Wärmerückgewinnung bereitgestellt. Für den Einsatz der Erfindung sind insbesondere auch Metallgießereien (z. B. Eisen- und Stahlgießereien) interessant. Bei Gießereien werden Zwischenprodukte in Form von Gußstücken durch Eingießen schmelzflüssigen Metalls in Gußformen, anschließendes Erstarren bzw. Abkühlen und Ausformen hergestellt. Auch beim Ausformen besitzen diese metallischen Zwischenprodukte oftmals noch ein Temperaturniveau deutlich über 100°C.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zwischenprodukt beim Einbringen in die Wärmeaustauschkammer eine Temperatur von mehr als 200°C besitzt.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Zwischenprodukt eine Masse von mehr als 5t, insbesondere mehr als 10t besitzt.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Zwischenprodukt als ein quasi-endloser Materialstrang entlang der Förderstrecke transportiert wird. Insbesondere in diesem Fall kann die im Verlauf der Förderstrecke angeordnete Wärmeaustauschkammer beiderendig offen ausgebildet sein, so dass insbesondere ein kontinuierliches Durchlaufen des Materialstranges durch die Wärmeaustauschkammer hindurch realisiert werden kann. In einer Weiterbildung ist die Wärmeaustauschkammer mit Mitteln zur (nicht notwendigerweise vollkommenen) Abdichtung von deren Innenraum ausgestattet, um mittels einer solchen "drucktragenden Dichtung" beispielsweise eine Steuerung des in der Wärmeaustauschkammer herrschenden Druckes vorzunehmen. Mit einer solchen Drucksteuerung bzw. Druckeinstellung kann vorteilhaft eine Optimierung des Wärmeaustauschprozesses realisiert werden.
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In einer Weiterbildung eines solchen "kontinuierlichen Verfahrens" ist vorgesehen, dass der Zwischenproduktstrang nacheinander entlang der Förderstrecke wenigstens zwei Wärmeaustauschkammern der beschriebenen Art durchläuft, die im Verlauf der Förderstrecke hintereinander angeordnet sind. Bei einer solchen Mehrzahl von Wärmeaustauschkammern können diese vorteilhaft jeweils optimiert gestaltet bzw. betrieben werden. Beispielsweise kann für solche Wärmeaustauschkammern jeweils eine Druckeinstellbarkeit (in der bereits beschriebenen Weise) vorgesehen sein, wobei für die wenigstens zwei (oder mehr) Wärmeaustauschkammern unterschiedliche Druckniveaus eingestellt werden.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Zwischenprodukt als ein Zwischenproduktstück entlang der Förderstrecke transportiert und in dieser Form in die Wärmeaustauschkammer eingebracht wird. Hierbei kann es sich z. B. um eine im Rahmen der Herstellung von Stahl oder anderen metallischen Werkstoffen anfallende Bramme handeln, z. B. mit einer Masse von mehr als 5t. Bei Einsatz der Erfindung für solche einzelnen Materialstücke kann auch vorgesehen sein, dass die Wärmeaustauschkammer beiderendig mit einer jeweiligen Verschlusseinrichtung zum Verschließen der Wärmeaustauschkammer versehen ist. Vorteilhaft lassen sich damit Wärmemengen der betreffenden Zwischenprodukte durch einen "diskontinuierlichen Wärmeaustauschprozess" zurückgewinnen. Bei einer druckdichten Verschließbarkeit der Wärmeaustauschkammer kann insbesondere eine Steuerung des in der Wärmeaustauschkammer herrschenden Druckes eingesetzt werden, um den Wärmeaustauschprozess zu optimieren.
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In einer Weiterbildung eines solchen "diskontinuierlichen Verfahrens" ist vorgesehen, dass das Zwischenproduktstück nacheinander entlang der Förderstrecke in wenigstens zwei Wärmeaustauschkammern der beschriebenen Art eingebracht (und dort jeweils einem Wärmeaustauschprozess unterzogen) wird, die im Verlauf der Förderstrecke hintereinander angeordnet sind. Bei einer solchen Mehrzahl von Wärmeaustauschkammern können diese vorteilhaft jeweils optimiert gestaltet bzw. betrieben werden. Beispielsweise kann für solche Wärmeaustauschkammern jeweils eine Drucksteuerbarkeit (in der bereits beschriebenen Weise) vorgesehen sein, wobei für die wenigstens zwei (oder mehr) Wärmeaustauschkammern unterschiedliche Druckniveaus eingestellt oder unterschiedliche zeitliche Druckverläufe vorgesehen werden.
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In einer Ausführungsform wird als Kühlmedium Wasser verwendet. Alternativ kann jedoch auch ein anderes, im Hinblick auf die zu erwartenden Temperaturen geeignetes bzw. chemisch geeignetes Wärmeträgermedium verwendet werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kühlmedium in einem Kühlmediumkreislauf geführt wird, in welchem ein Wärmetauscher für die Gewinnung der Wärme aus dem erwärmten Kühlmedium angeordnet ist. In einer Weiterbildung wird der genannte Wärmetauscher zur Abgabe der Wärme an ein Arbeitsmedium einer Dampfturbine betrieben. Auch bei diesem Arbeitsmedium kann es sich z. B. um Wasser (bzw. Wasserdampf) handeln. Es kann z. B. in für Kondensationsdampfturbinenanlagen typischer Weise in einem Wasser-Dampf-Kreislauf geführt werden.
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Das bereits erwähnte "diskontinuierliche Verfahren" zur Wärmerückgewinnung kann beispielsweise folgende Schritte umfassen:
- – Einbringen des als Zwischenproduktstück ausgebildeten Zwischenproduktes in die Wärmeaustauschkammer,
- – Verschließen der Wärmeaustauschkammer durch Betätigung hierfür vorgesehener Verschlusseinrichtungen (Hierzu kann z. B. vorgesehen sein, dass das Zwischenprodukt zunächst in die beiderendig offene Wärmeaustauschkammer eingebracht wird und dann die Wärmeaustauschkammer beiderendig verschlossen wird. Alternativ kann z. B. zunächst ein ausgangsseitiges Ende verschlossen werden, dann das Zwischenprodukt über ein eingangsseitiges Ende eingebracht werden, und schließlich das eingangsseitige Ende verschlossen werden),
- – nachfolgendes Zuführen und Abführen des Kühlmediums unter Steuerung des in der Wärmeaustauschkammer herrschenden Druckes, und
- – nachfolgendes Öffnen der Wärmeaustauschkammer, um das Zwischenproduktstück wieder aus der Wärmeaustauschkammer zu entfernen.
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Die erwähnte Steuerung (einschließlich z. B. Regelung) des Druckes in der Wärmeaustauschkammer besitzt insbesondere z. B. den Vorteil, dass damit unter Berücksichtigung der typischerweise vom Druck abhängenden Siedetemperatur des Kühlmediums (z. B. Wasser) ein Verdampfen bzw. eine Verdampfungsrate in der Wärmeaustauschkammer in gewünschter Weise beeinflusst werden kann. Für einen möglichst effizienten Wärmeübergang vom Zwischenprodukt zum Kühlmedium kann es z. B. nachteilig sein, wenn das Kühlmedium (z. B. Wasser) beim Kontakt mit der heißen Produktoberfläche (bei atmosphärischem Druck) sofort in großen Mengen verdampft. Hierbei kann es zu einer nicht optimalen Ausnutzung des Temperaturniveaus bzw. zu einer Begrenzung des Wärmeüberganges kommen.
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Daher ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass bei dem diskontinuierlichen Verfahren nach dem Einbringen des Zwischenproduktstückes in die Wärmeaustauschkammer zunächst ein relativ hoher Druck (z. B. mehr als 10 bar, insbesondere mehr als 20 bar) eingestellt wird und dieser Druck sodann schrittweise oder kontinuierlich abgesenkt wird. Die Druckabsenkung kann hierbei insbesondere in Abhängigkeit von der hierbei im zeitlichen Verlauf ebenfalls absinkenden Temperatur des Zwischenproduktes vorgesehen sein. Damit kann eine optimale Nutzung des jeweils momentan vorhandenen Temperaturniveaus bei der Abkühlung des Zwischenproduktes erreicht werden.
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Die Steuerung des Druckes, etwa zur Realisierung der vorstehend erwähnten Druckabsenkung im Laufe eines Wärmeaustauschprozesses, kann in einfacher Weise durch eine geeignete Steuerung der Zuführung und/oder Abführung des Kühlmediums bewerkstelligt werden. Hierfür können eine Zufuhrleitung bzw. Abfuhrleitung mit entsprechenden Pumpeinrichtungen und/oder Ventileinrichtungen ausgestattet sein.
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In einer spezielleren Ausführung ist vorgesehen, dass die Druckabsenkung dadurch bewerkstelligt wird, dass das über den Kühlmediumauslass abströmende Kühlmedium schrittweise (oder in schrittweise oder kontinuierlich veränderten Anteilen) mit Speichern bzw. Wärmeabnehmern (der zum Wärmegewinnen vorgesehenen Einrichtung) unterschiedlichen Druckes verbunden wird. Beispielsweise kann in einer frühen Phase eines Wärmeaustauschvorganges der Kühlmediumauslass über ein Ventil mit einem auf relativ hohem Druckniveau arbeitenden Wärmetauscher verbunden sein, wohingegen im weiteren zeitlichen Verlauf ein schrittweises oder kontinuierliches Umschalten auf wenigstens einen weiteren, auf vergleichsweise niedrigerem Druckniveau arbeitenden Wärmetauscher erfolgt.
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Wenn eine solche Mehrzahl von Wärmetauschern über eine geeignete Steuerungsanordnung (z. B. Ventilanordnung) mit dem Kühlmediumauslass verbunden ist und im Rahmen des Wärmeaustauschprozesses die erwähnte Druckabsenkung vorgesehen wird, so ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass die mehreren Wärmetauscher sekundärseitig mit Wärmeträgermedien unterschiedlicher Temperatur beaufschlagt werden, um auch primärseitig unterschiedlichen Kühlmediumtemperaturen Rechnung zu tragen.
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Nach Abschluss des Wärmeaustauschprozesses bzw. Abkühlvorganges kann nach Öffnen (z. B. beiderendigem Öffnen) der Wärmeaustauschkammer das Zwischenproduktstück wieder aus der Wärmeaustauschkammer herausgeführt und, gewissermaßen im "Fließbandbetrieb" ein nachfolgendes Zwischenproduktstück in die Wärmeaustauschkammer eingebracht werden, um sodann den nächsten Wärmeaustauschprozess in gleicher Weise durchzuführen.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Metallverarbeitungsanlage bereitgestellt, z. B. ein Stahlwerk oder eine Metallgießerei, welche Mittel zur Durchführung eines Verfahrens zur Rückgewinnung von Wärme der oben beschriebenen Art aufweist.
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Eine zum Transportieren des Zwischenproduktes entlang der Förderstrecke vorgesehene Fördereinrichtung, z. B. Rollenfördereinrichtung, erstreckt sich bevorzugt "durch die Wärmeaustauschkammer hindurch", so dass diese Fördereinrichtung auch für das Einbringen und Ausbringen des Zwischenproduktes in bzw. aus der Wärmeaustauschkammer genutzt werden kann. Im Falle des "diskontinuierlichen Wärmeaustauschverfahrens" ist die Fördereinrichtung bzw. deren Ansteuerung lediglich derart zu modifizieren, dass damit ein zeitweises Anhalten des Produkttransportes im Bereich der Wärmeaustauschkammer bewerkstelligt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführung wird die aus dem abgeführten erwärmten Kühlmedium gewonnene Wärme in einem Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine eingekoppelt, um diese Wärme vorteilhaft zum Betrieb der Dampfturbinenanlage zu nutzen. Bevorzugt wird die Dampfturbinenanlage hierbei jedoch überwiegend mit Wärme eines anderen Ursprunges (z. B. Verbrennungsprozess, Abwärme von Industrieprozessen, Kernspaltungsprozess, Solarthermie etc.) betrieben, also die aus dem heißen metallischen Zwischenprodukt zurückgewonnene Wärme lediglich als "zusätzliche Energiequelle" zum Betrieb der Dampfturbinenanlage genutzt.
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In einer Weiterbildung wird diese Zusatzwärme beispielsweise im Bereich so genannten Vorwärmung der Dampfturbinenanlage eingekoppelt. Die Vorwärmung einer Dampfturbinenanlage wird üblicherweise durch einen oder mehrere so genannte Vorwärmer realisiert, die im Wasser-Dampf-Kreislauf hinter einem Kondensator (zum Kondensieren des Dampfes), jedoch vor einem Dampferzeuger (zum Erzeugen von Frischdampf) angeordnet sind, um das Kondensat bzw. "Speisewasser" ein- oder mehrstufig vorzuwärmen. Derartige Vorwärmer können z. B. als Wärmemischer bzw. Wärmetauscher ausgebildet sein, denen primärseitig z. B. "Anzapfdampf" zugeführt wird. Es handelt sich dabei um mehr oder weniger heißen und noch nicht vollständig entspannten Dampf aus dem Bereich der Dampfturbine. Durch Betreiben derartiger Vorwärmer im Rahmen der Erfindung mittels der "Zusatzwärme" aus dem in der Wärmeaustauschkammer ablaufenden Wärmeaustauschprozess, alternativ oder zusätzlich zur Verwendung des Anzapfdampfes, nimmt somit eine größere Dampfmenge am Expansionsprozess in der Dampfturbine teil und es wird folglich eine erhöhte Leistung der Dampfturbine erreicht.
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In einer Ausführungsform umfasst die Dampfturbinenanlage wenigstens einen eigens zur Versorgung mit dem abgeführten erwärmten Kühlmedium vorgesehenen Vorwärmer (Wärmetauscher).
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Ein solcher Vorwärmer kann z. B. vorteilhaft in der Vorwärmstrecke des Wasser-Dampf-Kreislaufes vor (stromaufwärts) einem durch Anzapfdampf beaufschlagten Vorwärmer angeordnet sein.
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Als Alternative einer energetischen Nutzung des abgeführten erwärmten Kühlmediums in einer Dampfturbinenanlage kommt z. B. in Betracht, das abgeführte erwärmte Kühlmedium einem anderen Prozess zuzuführen, z. B. zu Erhitzungs-, Temperierungs-, Fernwärme- oder anderen Heizzwecken.
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Zusammenfassend stellt die Erfindung eine effektive und schnelle Nutzung der vorhandenen Abwärme aus "Heißbetrieben" bereit. Diese Wärme kann zu weiteren Prozessen zugeführt werden, dies gegebenenfalls unter optimaler Nutzung des jeweiligen Temperaturniveaus (des metallischen Zwischenproduktes). Eine durch die Erfindung beschleunigte Abkühlung des Zwischenproduktes kann für den betreffenden Metallverarbeitungsprozess (z. B. Abkühlen, Erstarren, Ausformen etc.) sogar von Vorteil sein und in diesem Fall durch die erwähnte Optimierung des Wärmeüberganges noch verbessert werden. Die Erfindung liefert damit einen wertvollen Beitrag für eine verbesserte Ressourcennutzung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Wärmeaustauschkammer gemäß eines Ausführungsbeispiels,
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2 eine Wärmeaustauschkammer gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
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3 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines zeitabhängig eingestellten Druckes in einer Wärmeaustauschkammer,
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4 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer mehrstufigen Nutzung von Wärme aus einem in einer Wärmeaustauschkammer erwärmten und nachfolgend abgeführten Kühlmediums, und
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5 ein schematisches Blockdiagramm einer Dampfturbinenanlage mit daran angeschlossener Wärmeaustauschkammer.
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1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Wärmeaustauschkammer 10, die im Verlauf einer Förderstrecke eines Stahlwerkes angeordnet ist, um damit ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus mehr als 100°C heißen metallischen Zwischenprodukten (hier z. B. "Brammen") zu realisieren.
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Diese heißen metallischen Zwischenprodukte werden mittels einer Fördereinrichtung entlang der Förderstrecke transportiert. Im dargestellten Beispiel umfasst die Fördereinrichtung eine Reihe von Förderrollen 12, die beispielsweise ausgehend von einer (nicht dargestellten) Stranggußanlage über eine oder mehrere Warmwalzstationen und weiter durch die Wärmeaustauschkammer 10 hindurch verläuft. Ein in dieser Weise transportiertes Zwischenprodukt 14 ist in 1 eingezeichnet. Es handelt sich dabei z. B. um einen plattenförmigen Stahlblock mit einer Masse von etwa 20t und einer Temperatur von etwa 300°C.
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Die Wärmeaustauschkammer 10 ist mit einem Kühlmediumeinlass 16 und einem Kühlmediumauslass 18 versehen, über welche ein Kühlmedium (Wärmeträger), im dargestellten Beispiel Wasser, in die Kammer 10 zugeführt bzw. nach Aufnahme von Wärme des Zwischenproduktes 14 als Wasserdampf abgeführt werden kann.
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Das Wärmerückgewinnungsverfahren umfasst folgende Schritte:
Zunächst wird ein entlang der Förderstrecke transportiertes Zwischenprodukt 14 in Richtung des Pfeils 20 wie in 1 dargestellt in die Kammer 10 hineintransportiert und dort gestoppt.
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Sodann wird das Kühlmedium (Wasser) über den Kühlmediumeinlass 16 zugeführt (Pfeil 22) und über eine Verzweigungs- und Verdüsungsanordnung 24 an beiden Flachseiten des Zwischenproduktes 14 aufgesprüht. Das sodann erwärmte Kühlmedium, hier in Form von Wasserdampf (alternativ: Heißwasser), wird über den Kühlmediumauslass 18 wieder aus der Kammer 10 abgeführt (Pfeil 26).
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Das abgeführte erwärmte Kühlmedium (Wasserdampf) wird einer energetischen Nutzung zugeführt, d. h. es wird in einer geeigneten Weise Wärme aus dem Wasserdampf gewonnen.
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Das Zuführen und Abführen des Kühlmediums erfolgt bevorzugt in gesteuerter Weise, um einen möglichst effizienten Wärmeübergang vom Zwischenprodukt 14 in das Kühlmedium zu bewerkstelligen. Diese Steuerung kann z. B. gemäß eines Steueralgorithmus erfolgen, welcher als Eingangsgröße zumindest die momentane Temperatur des Zwischenproduktes 14 berücksichtigt, die z. B. mit einem in der Kammer 10 installierten Temperatursensor gemessen werden kann. Darüber hinaus kann der Steueralgorithmus z. B. auch die Temperatur des zugeführten Kühlmediums und/oder des abgeführten Kühlmediums berücksichtigen.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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2 veranschaulicht ein modifiziertes Ausführungsbeispiel einer Wärmeaustauschkammer 10a, deren Aufbau und Funktionsweise im Wesentlichen denjenigen der Wärmeaustauschkammer 10 von 1 entsprechen.
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Abweichend von dem vorangegangenen Beispiel, bei welchem die Wärmeaustauschkammer 10 beiderendig offen ausgebildet war, ist die in 2 dargestellte Wärmeaustauschkammer 10a beiderendig mit einer jeweiligen Verschlusseinrichtung 30a-1 bzw. 30a-2 (hier: "Verschlussklappen") versehen, so dass die Wärmeaustauschkammer 10a im dargestellten Beispiel druckdicht verschließbar ist.
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Das unter Verwendung der Kammer 10a durchgeführte Wärmerückgewinnungsverfahren läuft im Wesentlichen wie das vorangehend mit Bezug auf die 1 bereits beschriebene Verfahren ab, jedoch mit dem Unterschied, dass nach dem Einbringen eines Zwischenproduktes 14a und für die Dauer des darauffolgenden Wärmeaustauschprozesses die Kammer 10a an beiden Enden durch Betätigung der Verschlusseinrichtungen 30a-1, 30a-2 druckdicht verschlossen wird und beim Wärmeaustauschprozess eine Steuerung des in der Wärmeaustauschkammer herrschenden Druckes erfolgt. Diese Drucksteuerung kann im Rahmen der ohnehin gesteuerten Zufuhr und Abfuhr des Kühlmediums bewerkstelligt werden und die Auswertung eines mittels eines Drucksensors gemessenen Druckwertes involvieren.
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Der Vorteil einer druckdichten Verschließbarkeit der Kammer 10a und der gemäß eines Steueralgorithmus gesteuerten Einstellung (z. B. Regelung) des Druckes besteht darin, dass die Verdampfung bzw. eine Verdampfungsrate des Kühlmediums gezielt beeinflusst werden kann, um die Wärmeübertragung gezielt zu beeinflussen bzw. weiter zu optimieren.
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Ein Beispiel einer solchen Drucksteuerung wird nachfolgend mit Bezug auf 3 erläutert.
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3 zeigt einen beispielhaften Verlauf eines während des Wärmeaustauschprozesses in der Kammer 10a herrschenden Druckes p im Verlauf der Zeit t.
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Zu einem Zeitpunkt t = 0 wird die mit dem Zwischenprodukt 14a beschickte Kammer 10a geschlossen. Der Druck p entspricht in diesem Zeitpunkt dem atmosphärischen Druck (1 bar).
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Zu einem Zeitpunkt t = t0 beginnt die Eindüsung des Wassers, woraufhin der Druck p stark ansteigt. In dieser Phase kann abgeführtes erwärmtes Kühlmedium (Wasserdampf) beispielsweise einem "Verbraucher" (z. B. Wärmetauscher) zugeführt werden, der auf einem ersten, relativ hohen Druckniveau p1 arbeitet.
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Diese Möglichkeit der Abfuhr des erwärmten Kühlmediums zu einem Verbraucher mit einem bestimmten Druckniveau ist mit einem beispielhaften Blockdiagramm in 4 veranschaulicht. Das über den Kühlmediumauslass 18a abgeführte Kühlmedium wird über ein (in dieser Phase geöffnetes) erstes Ventil V1 einem ersten Wärmetauscher 40a-1 zugeführt, welcher primärseitig für eine Beschickung mit Kühlmedium des Druckes p1 (und einer Temperatur T1) ausgelegt ist. Weitere, ebenfalls mit dem Kühlmediumauslass 18a verbundene Ventile V2 und V3 sind in dieser Phase geschlossen.
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Wie in 3 ersichtlich wird sodann der Druck p nach und nach verringert.
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Zu einem Zeitpunkt t = t1 ist der Druck p auf den Wert p1 abgesunken, und es erfolgt eine "Umschaltung" des abgeführten Kühlmediums auf einen zweiten Verbraucher, hier einen Wärmetauscher 40a-2, indem das Ventil V1 geschlossen und stattdessen das Ventil V2 geöffnet wird. Der zweite Wärmetauscher 40a-2 ist für einen primärseitigen Betrieb mit einem Druckniveau p2 und einer Kühlmediumtemperatur T2 ausgelegt. Es gilt p2 < p1 und T2 < T1.
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Noch etwas später, zu einem Zeitpunkt t = t2, und dementsprechend nach noch weiterer Abkühlung des Zwischenproduktes 14a, ist der Druck p auf das Druckniveau p2 abgesenkt, und es erfolgt eine Umschaltung des abgeführten Kühlmediums auf einen dritten Wärmetauscher 40a-3, der primärseitig für den Druck p3 und die Temperatur T3 ausgelegt ist (p3 < p2 und T3 < T2).
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Zu einem Zeitpunkt t = t3 ist der Druck p auf den Wert p3 abgesunken, und die Eindüsung des Wassers über den Kühlmediumeinlass 16a wird beendet.
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Zu einem Zeitpunkt t = t4, nach Abfall des Druckes p auf atmosphärischen Druck (z. B. durch entsprechendes Entleeren bzw. Abblasen), werden die Verschlusseinrichtungen 30a-1, 30a-2 (2) automatisiert betätigt, um die Kammer 10a wieder zu öffnen.
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Damit ist der Wärmeaustauschprozess mittels des Zwischenproduktes 14a beendet. Dieses wird durch Ansteuerung der betreffenden Förderrollen 12a wieder aus der Kammer 10a entfernt und somit zum Weitertransport an den stromabwärts der Kammer 10a befindlichen Teil der Förderstrecke übergeben. Die im beschriebenen Beispiel eingesetzte Anzahl von Wärmeverbrauchern unterschiedlicher Druckniveaus ist selbstverständlich nur beispielhaft zu verstehen. Es könnten z. B. auch weniger oder mehr als drei unterschiedliche Druckniveaus eingesetzt werden.
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Der beschriebene Wärmeaustauschprozess wird sodann für die auf der Förderstrecke nachfolgenden Zwischenprodukte in analoger Weise durchgeführt/wiederholt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bewirkt der Wärmeaustauschprozess eine Absenkung der Temperatur des betreffenden Zwischenproduktes (z. B. Metallbramme) um mindestens 50°C, bevorzugt mindestens 100°C.
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Die in 4 veranschaulichte energetische Nutzung des abgeführten erwärmten Kühlmediums (hier: Wasser bzw. Wasserdampf) durch Beaufschlagung eines oder mehrerer Wärmetauscher stellt eine bevorzugte Möglichkeit dar. Der Ausgang des oder der betreffenden Wärmetauscher können hierbei z. B. über eine (in 4 nicht dargestellte) Pumpeinrichtung und/oder Strömungsrateneinstelleinrichtung mit dem Kühlmediumeinlass 16a der Kammer 10a verbunden sein. In diesem Fall entsteht ein geschlossener Kühlmediumkreislauf. Ein spezielleres Ausführungsbeispiel hierfür ist in 5 dargestellt.
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5 zeigt im oberen Teil Komponenten einer herkömmlichen Dampfturbinenanlage 50b, bei welcher durch einen (in der Figur nicht dargestellten) "Wärmebereitstellungsprozess" in irgendeiner Art erzeugte thermische Energie durch die Dampfturbinenanlage 50b in elektrische Energie umgesetzt wird.
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Die Dampfturbinenanlage 50b umfasst eine Dampfturbine 52b mit einem Dampfeinlass 54b für Frischdampf und einem Dampfauslass 56b für Abdampf. Der Abdampf entsteht durch eine druck- und temperaturreduzierende Expansion des zugeführten Dampfes im Verlauf der Turbinendurchströmung.
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Der Frischdampf wird mit einem Druck von z. B. mehr als 100 bar und einer Temperatur von z. B. mehr als 400°C am Dampfeinlass 54b zugeführt. Der am Dampfauslass 56b austretende Abdampf besitzt einen Druck von z. B. weniger als 1 bar und eine Temperatur von z. B. weniger als 50°C.
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Eine Dampfbereitstellungseinrichtung 58b ist eingangsseitig mit dem Dampfauslass 56b der Dampfturbine 52b und ausgangsseitig mit dem Dampfeinlass 54b der Dampfturbine 52b verbunden, so dass die Dampfturbine zusammen mit der Dampfbereitstellungseinrichtung einen "Wasser-Dampf-Kreislauf" ausbildet.
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Mittels der Dampfturbine 52b wird Energie des zugeführten Dampfes in mechanische Drehleistung zum Antrieb eines Turbinenläufers umgesetzt, um einen mit dem Turbinenläufer gekoppelten elektrischen Generator G anzutreiben.
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Die Dampfbereitstellungseinrichtung 58b dient dazu, einerseits den kontinuierlichen Betrieb der Dampfturbine 52b durch Rückführung des Arbeitsmediums zu bewerkstelligen und andererseits die Energie des Arbeitsmediums zu erhöhen. Zu diesem Zweck umfasst die Einrichtung 58b im dargestellten Ausführungsbeispiel im Strömungsverlauf nacheinander angeordnet einen Kondensator 60b, eine Kondensatpumpe 62b, einen Zusatzvorwärmer 64b, einen ersten Vorwärmer 66b, eine Speisewasserpumpe 68b, einen zweiten Vorwärmer 70b und einen Dampferzeuger 72b.
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Die Übertragung von thermischer Energie aus dem betreffenden Wärmebereitstellungsprozess (z. B. Verbrennungsprozess, Solarthermie etc.) in die Dampfbereitstellungseinrichtung 58b erfolgt in erster Linie im Dampferzeuger 72b. Die Vorwärmer 66b und 70b werden im dargestellten Beispiel durch Dampf ("Anzapfdampf") aus dem Expansionsverlauf der Dampfturbine 52b versorgt. Der in dieser Weise aus der Dampfturbine 52b heraus und zu den Vorwärmern 66b und 70b geleitete Dampf erwärmt das Kondensat bzw. Speisewasser und kann dann an geeigneter Stelle im Wasser-Dampf-Kreislauf wieder eingezweigt werden (oder im Bereich der Vorwärmer 66b und 70b dem Kondensat bzw. Speisewasser beigemischt werden).
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Eine Besonderheit der dargestellten Dampfturbinenanlage 50b besteht darin, dass diese über den "Zusatzvorwärmer" 64b mit zusätzlicher Wärmeenergie aus einem Wärmerückgewinnungsverfahren der oben bereits beschriebenen Art versorgt wird.
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Wie in 5 dargestellt, ist hierfür eine Wärmeaustauschkammer 10b zusammen mit dem Zusatzvorwärmer (Wärmetauscher) 64b und einer Kühlmediumpumpe 74b in einem Kühlmedium-Kreislauf 76b angeordnet. Dementsprechend kann von einem Zwischenprodukt 14b abgegebene Wärme für eine zusätzliche Vorwärmung des Kondensats im Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbinenanlage 50b genutzt werden.
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Der Aufbau, die Betriebsweise und die Integration der Kammer 10b können hierbei so vorgesehen sein, wie dies vorstehend ganz allgemein und für die Ausführungsbeispiele gemäß der 1 bis 4 bereits beschrieben wurde. Eine nähere Erläuterung erübrigt sich daher an dieser Stelle.
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Die in 5 veranschaulichte Anordnung ist somit eine Kombination einer Metallverarbeitungsanlage und einer Dampfturbinenanlage mit dem eingangs erwähnten Vorteil einer verbesserten Ressourcennutzung. Die dargestellte Dampfturbinenanlage 50b mit dem daran angekoppelten Kühlmedium-Kreislauf 76b samt Wärmeaustauschkammer 10b ist ein Mittel zur Durchführung des beschriebenen Wärmerückgewinnungsverfahrens für nahezu beliebige Metallverarbeitungsanlagen.
