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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung, eine Verwendung einer Wärmerückgewinnungskammer sowie ein System umfassend eine Vorrichtung zur Erzeugung von Elektroenergie und eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung.
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Thermoprozessanlagen, insbesondere Hochtemperaturprozessanlagen, wie diese beispielsweise für das Schmelzen, Wärmen und die Wärmebehandlung von Stahl, NE-Metall, Glas und Keramik sowie andere Produkte verwendet werden, weisen einen Ofen auf, der durch Brenner erhitzt wird. Dabei können die Brenner Brenngas mit Brennluft verbrennen. Über das mit hoher Temperatur austretende Gas geht dem Prozess ein wesentlicher Anteil der eingebrachten Energie verloren. Eine Möglichkeit diese Verluste zu reduzieren liegt in einer effizienten Wärmerückgewinnung, bei der im Abgasstrom noch vorhandene Wärme beispielsweise zur Brennmedienvorwärmung, beispielsweise Brennluft, eingesetzt werden kann. Hierzu kann ein Thermo-Regenerator (Rekuperator) verwendet werden.
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Aus
DD 232 955 A1 ist beispielsweise bekannt, einen Thermo-Generator als Energiewandler für einen Wärmestrom zu verwenden, wobei eine zusätzliche Kühlung erforderlich ist, für die ein zusätzlicher Aufwand an Hilfsmedium und/oder -energie nötig ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Vorrichtung zu schaffen, bei der ein zusätzlicher Aufwand vermieden und/oder die Effizienz verbessert ist.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Schutzansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der nebengeordneten Schutzansprüche sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Schutzansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Kerngedanke der Erfindung ist es, den bei einem industriellen Prozess primär nicht mehr benötigten Fluidstrom (Abgas) einer Thermoprozessanlage, der einen bedeutenden Energiegehalt aufweist, einerseits dafür zu verwenden, einen Fluidstrom auf ein höheres Energieniveau zu bringen, d. h., eine Wärmerückgewinnung durchzuführen, und andererseits, bevorzugt gleichzeitig, den Fluidstrom einem Thermogenerator zuzuführen. Wärmerückgewinnungsvorrichtung und Thermogenerator können in Reihe geschaltet an einer Abgasleitung einer Thermoprozessanlage angeordnet sein, wobei die mit dem Thermogenerator in Reihe geschaltete Wärmerückgewinnungsvorrichtung von einem vorzuwärmenden Brennmedium in Gegenrichtung zum Abgasstrom durchströmt werden kann. Eine Einbindung eines Thermogenerators in den Fluidstrom bei gleichzeitiger Verwendung einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung gestattet die Nutzung des nicht mehr benötigten Wärmepotenzials eines Prozesses, welches sonst ungenutzt in die Umgebung entweichen könnte. Die Kühlung des Thermogenerators, d. h., der Kühlfluidstrom durch den Thermogenerator und damit die Elektroenergieerzeugung wird durch die, insbesondere kontinuierliche, Wärmesenkung in dem zuzuführenden Brennmedium sichergestellt, ohne dass eine Hilfsenergie zugeführt werden muss. Das Brennmedium, welches in der Thermoprozessanlage prozessiert wird (verbrannt), nimmt im Thermogenerator als auch in der Wärmerückgewinnungskammer Wärme auf, die im Prozess zur Verfügung steht und doch die Effizienz verbessert.
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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung mit einer Wärmerückgewinnungskammer, die einen Abgas-Einlass aufweist und vom Abgas einer Thermoprozessanlage durchströmbar ist. Ein Abgas-Auslass der Wärmerückgewinnungskammer ist mit einem Abgas-Einlass einer Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie, in der ein Thermogenerator angeordnet ist, verbunden.
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Die Serien- bzw. Reihenschaltungen der Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung mit einer Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie (Thermogenerator) trägt einer sinnvollen Nutzung des Abgas-Fluidstroms Rechnung.
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Der Begriff „Thermoprozessanlage” umfasst im Sinne der Erfindung allgemein Hochtemperatur-Prozessfeuerungen, insbesondere Industrieöfen, beispielsweise Wärmöfen, Wärmebehandlungsöfen, Schmiedeöfen, Pfannenfeuerung, Durchlauföfen, Chargenöfen, Walzwerksöfen, Schmelzöfen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmerückgewinnungskammer einen Brennmedium-Einlass auf, der mit einem Brennmedium-Auslass der Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie verbunden ist, wobei die Kammer zweigeteilt ist und der Thermogenerator im Zwischenbereich der zweigeteilten Kammer angeordnet ist. Hierdurch kann die Kopplung von leitungsgebundenen Wärmeströmen aus dem Thermoprozess sinnvoll erfolgen und das von dem Thermoprozess anfallende Abgas sowohl für eine Wärmerückgewinnung zur Vorwärmung des Brennmediums als auch zur Erzeugung von Elektroenergie verwendet werden. Die Anordnung des Thermogenerators im Zwischenbereich der zweigeteilten Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie ist derart, dass der Thermogenerator so angeordnet ist, dass er einseitig, insbesondere von einem dem Thermoprozess zuzuführenden Brennmedium, gekühlt und von der anderen Seite mittels des Abgasstromes geheizt wird.
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Ein „Thermogenerator” im Sinne der Erfindung umfasst ein thermoelektrisches Element, mit dem thermische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
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Vorzugsweise ist ein temperaturgeregelter Strömungspfad zur Kühlung der Wärmerückgewinnungskammer vorgesehen, mit dem Brennmedium dem Abgas-Einlass der Wärmerückgewinnungskammer zuführbar ist. Mittels des temperaturgeregelten Strömungspfads kann die Wärmerückgewinnungskammer derart gekühlt werden, dass ein dem Thermoprozess bzw. der Thermoprozessanlage zuzuführendes Brennmedium dem Abgasstrom am Abgas-Einlass in die Wärmerückgewinnungskammer zugeführt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine Zuführung von dem der Thermoprozessanlage zuzuführenden Brennmedium derart ausgestaltet sein, dass die Wärmerückgewinnungskammer auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 750°C bis ungefähr 950°C, insbesondere im Bereich von ungefähr 800°C bis ungefähr 900°C, insbesondere bevorzugt im Bereich von ungefähr 830°C bis ungefähr 870°C, erfolgen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Temperatur des Abgasstroms am Abgas-Einlass in die Wärmerückgewinnungskammer auf maximal ungefähr 850°C eingestellt bzw. gekühlt werden.
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Der Strömungspfad zur Kühlung der Wärmerückgewinnungskammer am Abgas-Einlass kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Ventil aufweisen, das mit einem Aktuator verbunden ist, der das Ventil in Reaktion auf die Temperatur in der Wärmerückgewinnungskammer betätigt. Hierdurch kann eine Steuerung und sogar eine Regelung der maximalen Temperatur der Wärmerückgewinnungskammer am Abgas-Einlass erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein temperaturgeregelter Strömungspfad zur Kühlung der Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie vorgesehen, mit dem Brennmedium dem Abgas-Einlass der Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie zuführbar ist. Hierdurch kann ein Temperaturbereich der Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie im Abgasdurchströmungsabschnitt eingestellt werden. Eine Einstellung der Temperatur der Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie im Abgasdurchströmungsabschnitt kann insbesondere im Bereich zwischen ungefähr 200°C bis ungefähr 600°C erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Ventil in dem Strömungspfad zur Kühlung der Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie im Abgasdurchströmungsabschnitt angeordnet, das mit einem Aktuator verbunden ist, der in Reaktion auf die Temperatur in der Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie im Abgasdurchströmungsabschnitt und/oder am Abgas-Auslass der Wärmerückgewinnungskammer das Ventil betätigt. Hierdurch kann ein im Wesentlichen konstanter Temperaturbereich erzielt werden.
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Zum Schutz der Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie, insbesondere des in der Kammer befindlichen Thermogenerators, kann ein Bypass zur Überbrückung des Abgas-Einlasses und des Abgas-Auslasses der Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie ausgebildet sein. Wird ein Temperaturbereich in dem Abgasstrom, der in die Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie strömen würde, ermittelt, so schützt der Bypass die Kammer bzw. den Thermogenerator.
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Die Erfindung schafft auch eine Verwendung einer Wärmerückgewinnungskammer mit einer Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie, wobei die Wärmerückgewinnungskammer und die Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie von einem Abgas und/oder einem Brennmedium durchströmbar sind.
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Ferner schafft die Erfindung ein System umfassend eine Vorrichtung zur Erzeugung von Elektroenergie, die eine Kammer zur Durchströmung mit einem Abgas und/oder einem Brennmedium aufweist, und eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung, die eine Wärmerückgewinnungskammer aufweist.
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Die Erfindung beschreibt auch ein Verfahren, bei dem ein Abgasstrom einer Thermoprozessanlage durch eine Kammer zur Wärmerückgewinnung geführt und anschließend einer Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie zugeführt wird. Insbesondere können den Abgas-Einlässen der Kammer zur Wärmerückgewinnung und/oder der Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie Teilströme eines Brennmediums zugeführt werden, um eine Kühlung der Kammer zur Wärmerückgewinnung und/oder der Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie durchzuführen.
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Sofern im Rahmen der Erfindung Zahlenangaben angegeben werden, so umfasst dieses die spezifische Zahlenangabe beinhaltende Bereiche, die durch eine 10%ige Toleranz nach oben und nach unten vom jeweiligen angegebenen Zahlenwert begrenzt sind. Die dem spezifischen Zahlenwert zukommende Bedeutung einer Bereichsangabe trägt den Fertigungstoleranzen und/oder der Messgenauigkeit der jeweiligen zugrundeliegenden Größe Rechnung. Die konkret angegebenen Zahlenwerte versteht der Fachmann daher als ungefähre Angaben.
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Der Begriff „aufweisen” im Sinne der Erfindung umfasst sowohl den Bedeutungsinhalt „aufweisen”, sodass neben dem angegebenen Element noch weitere Elemente vorgesehen sein können; der Begriff „aufweisen” erfasst aber auch erfindungsgemäß eine abschließende Begrifflichkeit im Sinne einer Bedeutung von „bestehen aus”.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die einzige Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der Fluidströme einer Thermoprozessanlage mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung und einer Vorrichtung und einer Kammer zur Erzeugung von Elektroenergie.
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Die Figur zeigt eine Thermoprozessanlage 1, die beispielsweise als ein Ofen ausgestaltet ist. Anhand von in der Figur dargestellten Pfeilen sind die Fluidströme erkennbar. Ein aus der Thermoprozessanlage 1 austretender Fluidstrom in Form eines Abgases liegt an einem Abgas-Einlass 2 einer Wärmerückgewinnungskammer 3 an. Die Wärmerückgewinnungskammer 3 ist vom Abgas durchströmbar und tritt an einem Abgas-Auslass 4 aus der Wärmerückgewinnungskammer 3 aus. Stromabwärts im Abgas ist der Abgas-Einlass 5 einer Kammer 6 zur Erzeugung von Elektroenergie angeordnet, wobei in der Kammer 6 zur Erzeugung von Elektroenergie mehrere Thermogeneratoren 7 angeordnet sind. Die Kammer 6 zur Erzeugung von Elektroenergie weist ferner einen Abgas-Auslass 8 auf.
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Der Thermoprozessanlage 1 ist ein Brennmedium in Form von Brennluft zuführbar, wie es durch den mittels des gestrichelten Pfeils, der in die Thermoprozessanlage 1 führt, schematisch dargestellt ist. Die Brennluft strömt durch einen Brennmedium-Einlass 9 der Kammer 6 zur Erzeugung von Elektroenergie ein und verlässt die Kammer 6 zur Erzeugung von Elektroenergie an dem Brennmedium-Auslass 10 der Kammer 6 zur Erzeugung von Elektroenergie. Stromabwärts des Brennmediums führt der Brennmedium-Auslass 10 der Kammer 6 zur Erzeugung von Elektroenergie mittels eines Kanals zum Brennmedium-Einlass 11 der Wärmerückgewinnungskammer 3. Die eine Trennwand 12 aufweisende Wärmerückgewinnungskammer 3 wärmt das Brennmedium beim Durchströmen der Wärmerückgewinnungskammer vor, bevor das Brennmedium die Wärmerückgewinnungskammer 3 durch den Brennmedium-Auslass 13 verlässt und der Thermoprozessanlage 1 zugeführt wird. Ein Abzweig von einer Quelle 14 für das Brennmedium stromaufwärts zum Brennmedium-Einlass 9 der Kammer 6 zur Erzeugung von Elektroenergie mündet zum einen in den Bereich zwischen der Thermoprozessanlage 1 und der Wärmerückgewinnungskammer 3 und zum anderen in einen Strömungspfad des Brennmediums zwischen der Wärmerückgewinnungskammer 3 und der Kammer 6 zur Erzeugung von Elektroenergie. Der Fluidstrom kann jeweils durch ein Ventil 16, 17 gesteuert werden. Der Fluidstrom kann in Abhängigkeit von einem Temperaturfühler 18, 19 eingestellt werden, um den an der Wärmerückgewinnungskammer 3 und/oder der Kammer 6 zur Erzeugung von Elektroenergie anstehenden Abgasstrom zu kühlen.
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Ferner ist ein Bypass 20 zur Sicherung der Kammer 6 zur Erzeugung von Elektroenergie bzw. der in der Kammer 6 enthaltenden Thermogeneratoren 7 ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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