DE2853177A1

DE2853177A1 - Verfahren und anlage zur rueckgewinnung von waerme

Info

Publication number: DE2853177A1
Application number: DE19782853177
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Vandenhoeck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-12-09
Filing date: 1978-12-08
Publication date: 1979-06-13
Also published as: FR2411384A1; JPS5489358A; JPS6214754B2; GB2010463B; CA1095508A; FR2411384B3; US4158385A; GB2010463A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Wärmetauscher und insbesondere auf ein Verfahren sowie eine Anlage zur Rückgewinnung von Wärme aus einer Wärmequelle, deren Wärme sonst verlorengeht. Dabei wird die zurückgewonnene Wärme vorzugsweise dazu benutzt, die Temperatur eines Arbeitsmittels auf einem im wesentlichen konstanten Wert zu halten, selbst wenn die Temperatur der Wärmequelle sich ändert.

Reaktoren bzw. Behälter, in denen eine thermische Wechselwirkung bzw. ein Wärmeaustausch zwischen verschiedenen Stoffen erfolgt, sind bekannt. Ferner ist es bekannt, einen solchen Wärmetauscher so auszulegen, daß in den Wärmetauscher Teilchenmaterial eingeleitet wird und daß Gas, das eine andere Temperatur als das Teilchenmaterial hat, durch das Teilchenmaterial· geleitet wird, so daß zwischen dem Teilchenmaterial· und dem Gas im Gegenstrom ein Wärmeaustausch erfoigt. Ein solcher Wärmetauscher ist ausführlich in der US-PS 3 876 383 beschrieben.

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Ferner ist es bekannt, zwei solche Wärmetauscher so miteinander zu kombinieren, daß das Teilchenmaterial, nachdem es durch Abgas oder ein anderes warmes Fluid im einen Wärmetauscher erwärmt worden ist, zum zweiten Wärmetauscher überführt wird, wo das Teilchenmaterial seine Wärme an ein Arbeitsmittel abgibt. Eine solche Anlage hat jedoch verschiedene Nachteile.

Zu diesen Nachteilen gehört, daß die Temperatur des dem ersten Wärmetauscher zugeführten Abgases in der Regel veränderlich ist und daß das Abgas zur Erwärmung des Teilchenmaterials nicht geeignet ist, bis seine Temperatur einen ausreichend hohen Wert erreicht hat. Dies hat zur Folge, daß während der Zeitdauer, während der das zuströmende Abgas keine ausreichend hohe Temperatur hat, der zweite Wärmetauscher nicht mit erwärmtem Teilchenmaterial gespeist werden kann, so daß das Arbeitsmittel in diesem Wärmetauscher auch nicht erwärmt werden kann. Dies hat zur Folge, daß eine solche Anlage nicht kontinuierlich erwärmtes Arbeitsmittel liefern kann. Ferner wird bei der herkömmlichen Anlage das gesamte warme Abgas zur Erwärmung des Teilchenmaterials in den ersten Wärmetauscher gesaugt, obwohl zeitweilig nur ein Teil des Abgases benötigt wird, um die Anforderungen an die Anlage zu erfüllen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anlage zu schaffen, das bzw. die kontinuierlich erwärmtes Arbeitsmittel liefert und nur denjenigen Teil des Abgases, der zur Erfüllung der Anforderungen an die Anlage benötigt wird, verwendet, so daß die restlichen, nicht im ersten Wärmetauscher ausgenutzten Abgase für andere Zwecke verwendet werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus einer Wärmequelle mittels einer Anlage, die einen ersten Wärmetauscher, einen zweiten Wärmetauscher und eine Speichervorrichtung aufweist, die in Verbindung mit dem ersten

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und dem zweiten Wärmetauscher steht, wobei dem ersten Wärmetauscher Teilchenmaterial und ferner Wärme von der Wärmequelle zugeführt wird, so daß zum Teilchenmaterial Wärme von der Wärmequelle übertragen wird, dadurch gelöst, daß das erwärmte Teilchenmaterial aus dem ersten Wärmetauscher zur Speichervorrichtung überführt und dort gespeichert wird, bis es benötigt wird, daß das erwärmte Teilchenmaterial je nach Bedarf aus der Speichervorrichtung dem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird, daß ein zu erwärmendes Arbeitsmittel durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird und dabei eine gewünschte Wärmemenge vom Teilchenmaterial aufnimmt und daß die Zufuhr von Teilchenmaterial aus der Speichervorrichtung zum zweiten Wärmetauscher durch Feststellung zumindest einer Zustandsgröße des Arbeitsmittels gesteuert wird, wobei aufgrund dieser Feststellung die Zufuhr erwärmten Teilchenmaterials aus der Speichervorrichtung in den zweiten Wärmetauscher so gesteuert wird, daß das Arbeitsmittel in einem bestimmten Zustand gehalten wird.

Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine Anlage zur Rückgewinnung von Abwärme mit einem ersten Wärmetauscher, der einen '~-Ia:< .ind. einen -Auslaß für ein durchzuleitendes warmes Fluid aufweist, und mit einem zweiten Wärmetauscher, der einen Einlaß und einen Auslaß für ein durchzuleitendes Arbeitsmittel aufweist, das erwärmt werden soll, wobei sich die Anlage auszeichnet durch eine Speichervorrichtung, die mit dem ersten Wärmetauscher verbunden ist, aus dem sie mit Teilchenmaterial versorgt wird, und die mit dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, dem sie je nach Bedarf Teilchenmaterial zuführt, eine Umwälzvorrichtung zur Förderung des Teilchenmaterials vom ersten Wärmetauscher zur Speichervorrichtung und von der Speichervorrichtung zum zweiten Wärmetauscher, wobei zunächst ein Wärmeaustausch mit dem'durch den ersten Wärmetauscher strömenden warmen Fluid erfolgt, dann das erwärmte Teilchenmaterial zur Speichervorrichtung überführt wird, die das erwärmte Teil-

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chenmaterial speichert, und schließlich das erwärmte Teilchenmaterial· bedarfsweise dem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird, in dem ein Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmittel erfolgt und diesem Wärme zugeführt wird, und Steuermittel zur Steuerung des Durchflusses des Teilchenmaterials aus der Speichervorrichtung zum zweiten Wärmetauscher in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsgröße des zu behandelnden Arbeitsmittels.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist somit, daß eine Speicherung der rückgewonnenen Wärme erfolgt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieis unter Bezugnahme auf die einzige Figur, die schematisch' und teiiweise im Schnitt ein Ausführungsbeispiel· der erfindungsgemäßen Aniage zur Rückgewinnung von Abwärme zeigt.

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In der einzigen Figur ist eine erfindungsgemäße Anlage zur
Rückgewinnung von Abwärme dargestellt, bei der auch eine Speicherung der rückgewonnenen Abwärme erfolgt. Die Anlage umfaßt einen ersten Rekuperator bzw. Wärmetauscher 12, einen zweiten Rekuperator bzw. Wärmetauscher 14 sowie eine isolierte Speichervorrichtung 16, die zwischen den Wärmetauschern 12 und 14 angeordnet ist. In jedem der Wärmetauscher 12 und 14 erfolgt
eine thermische Wechselwirkung bzw. ein Wärmeaustausch zwischen festem Teilchenmaterial und einem Gas. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird dem oberen Wärmetauscher 12 warmes, verunreinigtes Abgas 26, das durch einen Pfeil angedeutet ist, aus einem als Wärmequelle dienenden Kupolofen 28 zugeführt. Dieses Abgas erwärmt das Teilchenmaterial 50 im Wärmetauscher 12. Das erwärmte Teilchenmaterial 5 0 wird dann zur
isolierten Speichervorrichtung 16 geleitet und in dieser gespeichert. Dem unteren Wärmetauscher 14 wird das erwärmte Teilchenmaterial 5 0 aus der Speichervorrichtung 16 bedarfsweise zugeführt, d.h. in solcher Menge, wie sie benötigt wird, um einem Arbeitsmittel 106, beispielsweise kaltem Gas, Wärme zuzuführen, das in den Wärmetauscher 14 eingeleitet wird.

Die Wärmetauscher 12 und 14 können die in der US-PS 3 876 282 beschriebene Bauart haben; bezüglich der konstruktiven und
funktionsmäßigen Einzelheiten der Wärmetauscher 12 und 14
gelten die in dieser US-Patentschrift gemachten Ausführungen. Demzufolge werden die Wärmetauscher 12 und 14 hier nicht ausführlich erläutert, sondern lediglich in dem Ausmaß, wie es
zum Verständnis der Erfindung notwendig ist. Der obere Wärmetauscher 12 umfaßt eine untere Kammer 18 und eine obere Kammer 20. Die Wände der unteren Kammer 18 sind mit hitzebeständigem Mauerwerk 22 ausgekleidet, damit der Wärmetauscher 12
den hohen Temperaturen des Abgases aus dem Kupolofen standhält. Wie in der US-PS 3 876 383 beschrieben ist, befinden
sich in der unteren Kammer 18 mehrere Roste 24 aus rostfreiem Stahl mit so großen öffnungen, daß das Teilchenmaterial 50

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durch diese Öffnungen nach unten strömen kann. Wie aus der Figur erkennbar ist, sind die Roste 24 in geringem Abstand voneinander übereinander angeordnet. Die heißen Abgase 26 werden vom Kupolofen 28 durch geeignete Leitungen 30 und 3 2 zugeführt und können eine Temperatur im Bereich von 315° C bis 980° C (600° F bis 1800° F) haben.

Wie im folgenden noch ausführlicher erläutert werden wird, wird lediglich ein Teil des warmen Abgases 26 in den Wärmetauscher 12 eingeleitet, während der andere Teil des Abgases 26 durch die Leitung 30 zu einem weiteren Wärmetauscher 34 geleitet wird. Der Wärmetauscher 34 ist parallel zum Wärmetauscher 12 angeordnet und kann für eine beliebige zweckmässige Aufgabe, beispielsweise zur Erwärmung von Wasser 36, eingesetzt werden.'Nachdem die Abgase durch den Wärmetauscher 34 geströmt sind, werden sie durch eine geeignete Leitung 38 und ein Gebläse 40 im Bedarfsfall einem weiteren Verwendungszweck zugeführt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Abgase jedoch durch eine Leitung 38 in eine Filteranlage 42 geleitet, die auf bekannte Weise die Verunreinigungen aus dem Abgas entfernt, bevor dieses an die Atmosphäre abgegeben wird.

Bei der Beschreibung des Ausführungsbeispiels wird davon ausgegangen, daß warmes Abgas aus einem Kupolofen zugeführt wird. Es versteht sich jedoch, daß im Rahmen der Erfindung auch mit einem beliebigen anderen Fluid gearbeitet werden kann, insbesondere mit Gasen, Flüssigkeiten oder Aerosolen. Ferner können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anlage auch zum Kühlen eines Arbeitsmittels im Wärmetauscher 14 benutzt werden. In diesem Fall wird statt eines warmen Fluids ein kaltes Fluid durch die Leitungen 30 und 32 in den Wärmetauscher 12 geleitet, so daß das darin enthaltene Teilchenmaterial abgekühlt wird, das dann in der isolierten Speichervorrichtung 16 gespeichert wird, bis es im Wärmetauscher 14 benötigt wird, um das darin vorhandene Arbeitsmittel zu kühlen.

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Die Zufuhr des Teilchenmaterials 50 in die obere Kammer 20 des Wärmetauschers 12 erfolgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel· aus einem Fülltrichter 52. Das Teilchenmaterial 50 strömt durch die Wärmetauscher 12 und 14 sowie die Speichervorrichtung 16 und wird in der Anlage zurückgeführt bzw. umgewälzt, wozu eine geeignete Fördervorrichtung 54 dient, die das Teilchenmaterial· vom unteren Wärmetauscher 14 durch den Fülltrichter 52 zum oberen Wärmetauscher 12 zurückleitet. Im Rahmen der Erfindung kann das Teilchenmaterial· 50 von beliebiger geeigneter Art sein. Bei dem.Teilchenmaterial-50 kann es sich beispielsweise um groben Sand oder Kies, Aluminiumoxid, Aiuminium, Stahischrot oder ein beiiebiges anderes festes Teilchenmaterial handeln. Dieses Teiichenmaterial· hat die Aufgabe eines Warmeubertragungsmitteis. Ferner kann es sich bei dem Teiichenmaterial· um Material· handed, das in einer chemischen Reaktion chemisch reagiert oder ais Katalysator wirkt und dadurch Wärme überträgt. Alternativ ist das Teilchenmaterial· chemisch nicht aktiv und überträgt dann die Wärme durch Berührung zwischen dem Teilchenmaterial· und dem zuströmenden Fiuid.

Beim dargeste^ten Ausführungsbeispiel· ist das Teiichenmaterial· 50 grober Sand, das durch den Fü^trichter 52 in die obere Kammer 20 des Wärmetauschers 12 eingeieitet wird. Wie in der US-PS 3 876 333 beschrieben ist, fließt der Sand durch die perforierten Roste 24, so daß er sich in der unteren Kammer 18 ansammelt. Wenn warme Abgase 26 durch die Leitung 32 in die untere Kammer 18 eingeleitet werden, treten diese warmen Abgase zunächst mit dem Sand in der unteren Kammer 18 in Berührung, wonach sie nach oben durch die perforierten Roste 24 strömen. Während die warmen Abgase 26 durch den Wärmetauscher 12 nach oben strömen,"" fällt der kalte grobe Sand aus dem Fü^trichter 52 durch die übereinander angeordneten Roste 24 nach unten, so daß der Sand und die warmen Abgase 26 in thermischerWechseiwirkung miteinander stehen und der Sand er-

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wärmt wird. Wie in der vorgenannten Patentschrift ausführlicher erläutert ist, sind die Gasgeschwindigkeiten in den Öffnungen der Roste 24 wesentlich höher als die Sinkgeschwindigkeit der einzelnen Sandteilchen, wogegen die Gasgeschwindigkeiten oberhalb der Roste 24 zu niedrig sind, um Sand mitreißen zu können. Dies führt zur Bildung einer Wirbelschicht mit einer Tiefe von 5 cm bis 15 cm (2 Inch bis 6 Inch) auf der Oberseite jedes Rostes 24. Das auf diese Weise hervorgerufene Verweilen des Sandes ermöglicht einen fast perfekten Wärmeaustausch zwischen der Wirbelschicht bzw. dem Sandbett und den Abgasen 26. Aus jeder Wirbelschicht strömt der Sand kontinuierlich durch die Roste 24 ab, und zwar aufgrund des "Siedeeffektes" des Sandes oberhalb der großen Anzahl von Öffnungen in jedem Rost. Zu jedem Zeiptunkt befindet sich über einer bestimmten Öffnung des Rostes etwas mehr Sand als über den anderen Öffnungen. Dies hat zur Folge, daß die Gasströmung, die den Weg des geringsten Widerstandes sucht, zu den anderen Öffnungen abgeleitet wird, so daß der Sand unbehindert durch die bestimmte Öffnung abfließen kann, bis wieder ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Dieser Effekt wiederholt sich zufällig von Öffnung zu Öffnung an jedem Rost und resultiert in einem gesteuerten Gegenstrom zwischen dem Teilchenmaterial 50 bzw. dem Sand und den Abgasen 26. Die Verweilzeit in jeder Wirbelschicht stellt sich für unterschiedliche Sand- und Gasdurchflüsse selbsttätig ein. Insgesamt führt dies zu dem Ergebnis, daß aus dem oberen Wärmetauscher 12 Sand mit einer Temperatur austritt, die sehr dicht bei der Temperatur des zuströmenden Abgases 26 liegt. Außerdem treten die Abgase in die obere Kammer 20 weitgehend abgekühlt ein, nachdem sie durch die untere Kammer 18 und die Roste 24 geströmt sind. Die abgekühlten Abgase 60, die durch einen Pfeil angedeutet sind, treten in die obere Kammer 20 mit einer Temperatur ein, die sehr nahe bei der Temperatur des aus dem Fülltrichter 52 zuströmenden Sandes liegt.

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Beim dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel hat das abgekühlte Abgas 60 eine Temperatur im Bereich von 120° C bis 180° C (250° F bis 350° F). Diese Abgase werden aus der oberen Kammer 20 mittels eines geeigneten Gebläses 6 2 abge- ■ saugt. Vorzugsweise werden die Abgase 6 0 gegebenenfalls durch einen Zyklon 64 geleitet, der verbrauchten Sand, Asche, Schlakke, Staub und dergleichen abscheidet. Vom Zyklon 64 und dem Gebläse 62 werden die Abgase 60 durch eine geeignete Leitung 66 zur Leitung 38 geführt, wo sich diese Abgase mit den aus dem Wärmetauscher 34 kommenden Abgasen treffen. Die Abgase werden dann gemeinsam vom Gebläse 4 0 zur Filteranlage 42 gefördert, wie dies bereits beschrieben wurde.

Die vom Zyklon 64 zum Gebläse 62 führende Leitung kann mit einem geeigneten Thermoelement 70 versehen sein, das die Temperatur des Abgases 60 in der Leitung 68 erfühlt und über eine Steuerleitung 72 eine ±n der Leitung 66 angeordnete Drosselklappe 74 steuert. Die Drosselklappe 74 nimmt normalerweise ihre Offenstellung ein. Wenn jedoch das Thermoelement 7 0 feststellt, daß die Abgase 60 eine Temperatur oberhalb eines bestimmten Wertes haben, bewirkt das Thermoelement 70, daß die Drosselklappe 74 ganz oder teilweise geschlossen wird, so daß der Durchfluß, mit dem die warmen Abgase 26 in den Wärmetauscher 12 gesaugt werden, so gesteuert wird, daß die Temperatur der abgekühlten Abgase 60 unterhalb eines bestimmten Wertes liegt.

Wie bereits angegeben wurde, sind die in die obere Kammer 20 des Wärmetauschers 12 eintretenden Abgase weitgehend abgekühlt, so daß alle Teile der Anlage, durch die die Abgase 60 nach Verlassen der oberen Kammer 20 strömen, nicht so ausgelegt zu sein brauchen, daß sie Fluiden mit hoher Temperatur standhalten. Daher sind der Zyklon 64, die Leitungen 66 und 68, das Gebläse 62 und alle übrigen zugeordneten Anlageteile wesentlich billiger, als wenn sie Fluideii mit hoher Tempera-

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tür standhalten müßten. Wenn der Wärmetauscher 34 nicht parallel zum ersten Wärmetauscher 12 sondern in Reihe mit diesem angeordnet wäre, so daß die aus dem Wärmetauscher 12 austretenden Abgase zum Wärmetauscher 34 geleitet würden, müßten ferner alle Anlageteile zwischen dem Wärmetauscher 12 und dem in Reihe geschalteten Wärmetauscher 34 so ausgelegt sein, daß sie Fluiden mit hoher Temperatur standhalten können. Erfindungsgemäß wird jedoch nur eine solche Menge heißen Abgases 26 in den Wärmetauscher 12 gesaugt, wie sie benötigt wird, um den Bedarf der Anlage zu decken, so daß das übrige und nicht benötigte Abgas 26 mit hoher Temperatur in den parallel angeordneten Wärmetauscher 34 eingeleitet wird. Da somit der Wärmetauscher 12 nur die benötigte Menge warmen Abgases 26 ansaugt, sind die Abgase, wenn sie die untere Kammer 18 durchströmt haben und in die obere Kammer 20 einströmen, ausreichend abgekühlt, so daß diese abgekühlten Abgase durch Anlageteile geleitet werden können, die nicht auf Hochtemperaturbetrieb ausgelegt sind.

Wie bereits erwähnt wurde, wird der Sand erwärmt, während er durch den oberen bzw. ersten Wärmetauscher 12 strömt. Nach der Erwärmung gelangt der Sand in einen Trichter 80, der am Boden des Wärmetauschers 12 angebracht ist und aus dem der warme Sand durch einen offenen Kanal 82 in die isolierte Speichervorrichtung 16 gelangt. Der Sand bzw. das warme Teilchenmaterial 50 strömt durch den Kanal 82 in die Speichervorrichtung 16 aufgrund seines Eigengewichtes, wobei die Strömung des Sandes unbehindert ist, da sich im Kanal 82 kein Ventil oder andere bewegbare Teile befinden. Wie aus der Zeichnung erkennbar ist, sind die Wände der Speichervorrichtung 16 mit beliebigem geeignetem Isoliermaterial 84, beispielsweise isolierten Mineralfasern, isoliert. Die Speichervorrichtung 16 speichert den vom oberen Wärmetauscher 12 erhaltenen warmen Sand äusserst effektiv, da die Temperatur des darin gespeicherten warmen Sandes innerhalb von 24 Stunden um weniger als 50° C ab-

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sinkt. Nahe dem oberen Ende der Speichervorrichtung 16 ist ein oberer Füllstandsfühler 90 angeordnet, der den Füllstand des warmen Teilchenmaterials in der Speichervorrichtung 64 feststellt. Ferner ist nahe dem unteren Ende der Speichervorrichtung 16 ein unterer Füllstandsfühler 92 angeordnet, der ebenfalls zur Feststellung des Füllstandes des warmen Teilchenmaterials in der Speichervorrichtung 16 dient. Wie noch ausführlicher erläutert werden wird, dienen die Füllstandsfühler 90 und 92 zur Steuerung des Durchflusses, mit dem das Teilchenmaterial· aus dem unteren bzw. zweiten Wärmetauscher 14 zum oberen Wärmetauscher 12 zurückgeführt wird, sowie zur Steuerung des Durchflusses, mit dem das warme Abgas 26 in den oberen Wärmetauscher 12 eingeleitet wird. Aus der Speichervorrichtung 16 strömt der warme Sand aufgrund seines Eigengewichtes in den unteren Wärmetauscher 14. Am Auslaß der Speichervorrichtung 16 ist jedoch eine 1,5 m (5 Fuß) lange Sandsperre 94 vorgesehen, die verhindert, daß kaltes Arbeitsmittel, das im unteren Wärmetauscher 14 erwärmt werden soll, in die Speichervorrichtung 16 oder den oberen Wärmetauscher 12 eintritt. Am unteren Ende der Sandsperre 94 ist ein als Überführungsventil ausgebildetes Steuermittel 96 angeordnet, das der warme Sand passieren muß, wenn er aus der Speichervorrichtung 16 und durch die Sandsperre 94 abfließt. Der warme Sand wird durch das Steuermittel 96 mit demjenigen Durchfluß abgezogen, der notwendig ist, um die Temperatur des im unteren Wärmetauscher 14 zu erwärmenden Arbeitsmittels 106 auf einem bestimmten konstanten Wert zu halten. Dieser Durchfluß wird beibehalten, solange sich warmer Sand in der Speichervorrichtung 16 befindet.

Dem unteren Wärmetauscher 14 sind Leitungen 100 und 102 sowie ein geeignetes Gebläse 104 zugeordnet, die das zu erwärmende Arbeitsmittel 106 in den unteren Wärmetauscher 14 einleiten. Ferner ist der untere Wärmetauscher 14 mit übereinander angeordneten, perforierten Rosten 108 versehen, die ähnliche Kon-

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struktion und Funktion wie die beschriebenen Roste 24 im oberen Wärmetauscher 12 haben. Wegen der Einzelheiten der Funktion dieser Roste 108 im unteren Wärmetauscher 14 wird erneut auf die US-PS 3 876 383 Bezug genommen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das im unteren Wärmetauscher 14 zu erwärmende Arbeitsmittel 106 Luft. Die thermische Wechselwirkung bzw. der Wärmeaustausch zwischen dem warmen Sand und der Luft im unteren Wärmetauscher 14 verläuft auf gleiche Weise, wie dies für den oberen Wärmetauscher 12 beschrieben wurde, wobei der Unterschied besteht, daß der Wärmeübergang in umgekehrter Richtung erfolgt, daß nämlich der warme Sand seine thermische Energie bzw. Wärme an das Arbeitsmittel 106 abgibt.

Der warme Sand fließt aus der Sandsperre 94 und durch die perforierten Roste'108'und gelangt vom unteren Ende des zweiten Wärmetauschers 14. in einen Speichertrichter 110, der am unteren Ende des Wärmetauschers 14 angeordnet ist. Wenn der Sand den untersten Rost 108 verläßt, ist seine Temperatur auf ungefähr 54° C (130° F) gesunken. Das Arbeitsmittel 106 wird durch die Leitung 102 am unteren Ende des zweiten Wärmetauschers 14 unmittelbar oberhalb des Speichertrichters 110 eingeblasen. Das Arbeitsmittel 106 bzw. die Luft strömt durch die Roste 108 auf gleiche Weise nach oben, wie dies für die nach oben durch die perforierten Roste 24 strömenden warmen Abgase 26 erläutert wurde. Ergebnis ist, daß das Arbeitsmittel 106 vom Sand bzw. dem warmen Teilchenmaterial 50 erwärmt wird. Das warme Arbeitsmittel 114, das durch einen Pfeil angedeutet ist, wird durch einen Auslaß 112 am oberen Ende des zweiten Wärmetauschers 14 abgezogen. Vom Auslaß 112 gelangt das erwärmte Arbeitsmittel zu seiner Verwendungsstelle. Wenn die Anlage in Verbindung mit einem Kupolofen zur Anwendung kommt, gelangt das erwärmte Arbeitsmittel 114 vom Auslaß 112 zu einem Windkasten 144 des Kupolofens. Selbstverständlich kann das erwärmte Arbeitsmittel 114 jedem anderen gewünschten Verwendungszweck zugeführt werden.

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Am Auslaß 112 ist ein Thermoelement 142 vorgesehen, das die Temperatur des erwärmten Arbeitsmittels 114 feststellt. Wenn diese Temperatur unter dem Sollwert der Temperatur liegt, bewirkt das Thermoelement 142, daß das Steuermittel 96 weiter geöffnet wird, wodurch der Durchfluß des warmen Sandes vergrößert und damit die Erwärmung des Arbeitsmittels 106 im zv/eiten Wärmetauscher 14 erhöht wird.

Das im Speichertrichter 110 angesammelte Teilchenmaterial 5 wird mittels der Fördervorrichtung 54 zum oberen Ende des ersten Wärmetauschers 12 zurückgeführt. Die Fördervorrichtung 54 kann beispielsweise als pneumatischer Sandheber ausgebildet sein, der den Sand vom Speichertrichter 110 durch ein senkrecht angeordnetes Rohr 116 zum oberen Ende des ersten Wärmetauschers 12 hebt. Ein Verdrängergebläse 118 dient dazu, Luft durch den pneumatischen Sandheber zu drücken. Diese Luft und der Sand mischen sich in einer Mischkammer 120, wonach die unter Druck stehende Luft den Sand zum Fülltrichter 52 hochfördert. Aus dem Fülltrichter 52 fließt der Sand aufgrund der Schwerkraftwirkung in den ersten Wärmetauscher 12. Die zum Betreiben des pneumatischen Sandhebers benötigte Druckluft wird aus dem oberen Wärmetauscher 12 mit den kalten Abgasen 6 0 abgeleitet.

Im folgenden wird die Steuerung und Funktion der erfindungsgemäßen Anlage zur Rückgewinnung von Abwärme erläutert. In der Leitung 30 ist ein Thermoelement 122 angeordnet, das die Temperatur des zuströmenden warmen Abgases 26 feststellt. Das Thermoelement 122 ist auf eine bestimmte Temperatur, beispielsweise 760° C (1400° F) eingestellt und schaltet mittels eines Schalters 124 die Füllstandsfühler 90 und 92 ein und aus. Wenn im Betrieb die Temperatur des zuströmenden Abgases 26 unter dem eingestellten Temperaturwert von 760° C liegt, schalten das Thermoelement 122 und der Schalter 124 den unteren Füllstandsfühler 92 ein. Wenn jedoch das zuströmende Abgas 26 eine

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Temperatur oberhalb des eingestellten Wertes hat, schalten das Thermoelement 122 und der Schalter 124 den oberen Füllstandsfühler 90 ein.

Der Schalter 124 ist ferner über eine Steuerleitung 125 mit einem Stellantrieb 128 für ein als Drosselklappe ausgebildetes Steuermittel 130 verbunden. Der obere Füllstandsfühler 90 und der untere Füllstandsfühler 92 steuern auf diese Weise über den Schalter 124 den Durchfluß, mit dem der Sand aus dem Speichertrichter 110 zum Fülltrichter 52 zurückgeführt wird.

Wenn während des Betriebes das zuströmende Abgas 26 eine Temperatur unterhalb des eingestellten Temperaturwertes von 760° C hat, schalten das Thermoelement 122 und der Schalter 124 den unteren'Füllstandsfühler 92 ein. Wenn währenddessen warmer Sand in der Speichervorrichtung 16 vorhanden ist und in den unteren Wärmetauscher 14 eingeleitet wird, wird dies vom unteren Füllstandsfühler 9 2 festgestellt, der bewirkt, daß das Steuermittel 130 schließt, so daß kein Sand aus dem Speichertrichter 110 durch die Fördervorrichtung 54 zum Fülltrichter 52 gelangt. Dies hat zur Folge, daß die Temperatur des Abgases 60 steigt und daß das Thermoelement 7 0 die Drosselklappe 74 in der Leitung 66 schließt, so daß die Zufuhr von Abgas 26 in den oberen Wärmetauscher 12 unterbrochen wird, während die Temperatur des Abgases unterhalb des eingestellten Wertes von 760° C liegt. Wenn jedoch der Füllstand des in der Speichervorrichtung 16 gespeicherten Sandes niedrig ist und die Temperatur des zuströmenden Abgases 26 immer noch unter 760° C liegt, stellt der untere Füllstandsfühler 92 fest, daß die Zufuhr warmen Sandes in die Speichervorrichtung 16 zu Ende geht, und bewirkt der Füllstandsfühler 92 über die Steuerleitung 126, daß das Steuermittel 130 öffnet, so daß die Rückführung von Sand aus dem unteren Speichertrichter 110 zum oberen Fülltrichter 52 beginnt. Da dadurch ein Wärmeaustausch zwischen dem Abgas 26 und dem Sand bzw. dem Teilchenmaterial

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50 in Gang gesetzt wird, sinkt die Temperatur des Abgases 60, so daß das Thermoelement 70 bewirkt, daß die Drosselklappe in der Leitung 66 öffnet und daß warmes Abgas 26 in den ersten Wärmetauscher 12 eingesaugt wird, obwohl die Temperatur dieses warmen Abgases 26 unter dem eingestellten Wert von 760° C liegt. Dabei sind jedoch die Menge des. zurückgeführten Sandes und die Menge des in den oberen Wärmetauscher 12 gesaugten warmen Abgases 26 nur so groß, daß das Arbeitsmittel 114 im unteren Wärmetauscher 14 auf einen Temperaturwert erwärmt wird, der so nahe wie möglich beim vorgegebenen konstanten Temperaturwert liegt. Während dieses Zeitraumes wird daher kein warmer Sand in der Speichervorrichtung 16 gespeichert, da nur eine so große Menge Sandes umgewälzt wird, wie sie notwendig ist, um die Anforderungen an die Anlage zu erfüllen.

Sobald die Temperatur des zuströmenden Abgases 26 den eingestellten Wert von 760° C erreicht, bewirken das Thermoelement 122 und der Schalter 124, daß das Steuermittel 130 maximal öffnet, so daß der Durchfluß von Sand aus dem Speichertrichter 110 auf seinen Maximalwert erhöht wird. Demzufolge findet zwischen dem Sand bzw. dem Teilchenmaterial 50 und den Abgasen 26 eine Wechselwirkung statt, durch die die Temperatur des Abgases 60 sinkt. Dies wird vom Thermoelement 70 festgestellt, das daraufhin die Drosselklappe 74 so öffnet, daß in den oberen Wärmetauscher 12 die maximale Abgasmenge eingesaugt wird. Auf diese Weise wird in den oberen Wärmetauscher 12 mehr Sand eingeleitet, als im unteren Wärmetauscher 14 benötigt wird, so daß warmer Sand in der isolierten Speichervorrichtung 16 gespeichert wird. Der Durchfluß, mit dem dem Fülltrichter 52 Sand zugeführt wird, bleibt maximal und auch die Abgase 26 werden in den oberen Wärmetauscher 12 mit maximalem Durchfluß eingesaugt, bis der Füllstand des gespeicherten warmen Sandes in der Speichervorrichtung 16 die Höhe des oberen Füllstandsfühlers 90 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt bewirken der obere Füllstandsfühler 90 und der Schalter 124 über die Steuerlei-

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tung 126, daß das Steuermittel 130 auf kleinere öffnung gestellt wird, so daß der Durchfluß, mit dem der Sand aus dem Speichertrichter 110 zum Fülltrichter 52 gefördert wird, verringert wird, was wiederum dazu führt, daß der Durchfluß des in den oberen Wärmetauscher 12 gesaugten Abgases 26 abnimmt. Diese Durchflüsse werden so weit verringert, daß der Sanddurchfluß durch den oberen Wärmetauscher 12 gleich dem Sanddurchfluß ist, der in den unteren Wärmetauscher 14 eingelassen wird. Es versteht sich, daß der Sanddurchfluß und der Gasdurchfluß so eingestellt werden, daß sie sich entsprechend dem Bedarf des unteren Wärmetauschers 14 ändern. Diese Betriebsweise dauert so lange an, wie die Temperatur des zuströmenden Abgases 26 oberhalb von 760° C liegt und wie die Speichervorrichtung 16 gefüllt ist. Wenn jedoch während dieser Betriebsweise die Temperatur des zuströmenden Abgases 26 unter 760° C sinkt, bewirken das Thermoelement 122 und der Schalter 124 über die Steuerleitung 126, daß das Steuermittel 130 schließt und die Sandströmung zum Fülltrichter 52 unterbricht, was wiederum zur Folge hat, daß die Drosselklappe 74 schließt und das Einsaugen von Abgas 26 in den oberen Wärmetauscher 12 beendet. Außerdem schaltet der Schalter 124 automatisch den oberen Füllstandsfühler 90 aus und den unteren Füllstandsfühler 92 ein. Da kein Sand zum Fülltrichter 52 zurückgeführt wird, wird der in der Speichervorrichtung 16 gespeicherte warme Sand dazu benutzt, den Bedarf des unteren Wärmetauschers 14 zu erfüllen,der benötigt wird, um das Arbeitsmittel 114 auf dem bestimmten, konstanten Temperaturwert zu halten. Wenn jedoch die Temperatur des zuströmenden Abgases 26 wieder einen Wert oberhalb von 760° C erreicht, wird der Sand erneut mit maximalem Durchfluß vom Speichertrichter 110 zum Fülltrichter 52 zurückgeführt, was zur Folge hat, daß die Drosselklappe 74 öffnet, so daß das warme Abgas 26 mit maximalem Durchfluß in den ersten Wärmetauscher 12 eingesaugt wird, bis die Speichervorrichtung 16 wieder mit warmem Teilchenmaterial 50 bzw. Sand gefüllt ist.

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Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Anlage zur Rückgewinnung von Abwärme die Temperatur des Arbeitsmittels 114 auf einem bestimmten konstanten Viert hält, solange noch warmer Sand bzw. warmes Teilchenmaterial in der Speichervorrichtung 16 vorhanden ist, und zwar unabhängig von Schwankungen der Temperatur des zuströmenden Abgases 26. Dies wird dadurch erreicht, daß die Speichervorrichtung 16 vorgesehen ist, die dem unteren Wärmetauscher 14 zur Erwärmung des Arbeitsmittels 1 1 4 erv/ärmten Sand auch während der Zeiträume zuführt, während der das zuströmende Abgas eine Temperatur unterhalb des vorgegebenen Wertes von 760° C hat. Dies wiederum hat zur Folge, daß die erfindungsgemäße Anlage zur Rückgewinnung von Abwärme einen höheren Prozeß- bzw. Verfahrenswirkungsgrad als eine Anlage ohne Speicherfähigkeit hat. Ferner hat die erfindungsgemäße Anlage auch deswegen einen höheren Anlagewirkungsgrad, da sie nur so viel warmes Abgas aufnimmt, wie zur Erfüllung des Bedarfes des unteren Wärmetauschers 14 benötigt wird, so daß das übrige, nicht benötigte Abgas 26 für andere Zwecke zur Verfügung steht, beispielsweise zur Wärmeversorgung eines.parallel angeordneten Wärmetauschers 34. Da der obere Wärmetauscher 12 lediglich die benötigte Menge warmen Abgases 26 ansaugt, besteht ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage darin, daß die aus dem oberen Wärmetauscher 12 austretenden Abgase 60 wesentlich kühler sind, so daß der Zyklon 64, das Gebläse 62 und andere Zusatzeinrichtungen keine hohen Temperaturen auszuhalten brauchen, was die Kosten der Anlage verringert.

In Weiterbildung der Erfindung kann am Trichter 80 ein Brenner 140 angebracht sein, damit das Teilchenmaterial 5 0 bzw. der Sand zusätzlich erwärmt wird, bevor es in die Speichervorrichtung 16 eintritt. Vorzugsweise wird der Brenner 140 zur Erwärmung des Teilchenmaterials 50 dann eingesetzt, wenn die Abgase 26 in den Wärmetauscher 12 eingesaugt werden, obwohl ihre Temperatur unter 760° C liegt. Dadurch ist sichergestellt,

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daß das Arbeitsmittel 114 immer auf der bestimmten, konstanten Temperatur gehalten wird.

Die Erfindung ist auch anwendbar bei Anlagen, bei denen statt der warmen Abgase 26 beliebige andere Mittel dazu benutzt werden, dem Teilchenmaterial· 50 (oder einem anderen Wärmeübertragungsmittel) Wärme zuzuführen. Beispielsweise kann Sonnenenergie in der Weise ausgenutzt werden, daß die Sonnenstrahlen direkt dem Teilchenmaterial oder anderen Wärmeübertragungsmitteln Wärme zuführen, statt dazu die Abgase 26 zu verwenden.

Die vorstehende Beschreibung läßt zahlreiche Abwandlungen, Änderungen und Äquivalente zu, und in gewissen Anwendungsfällen werden einige Merkmale der Erfindung benutzt werden, ohne daß andere beschriebene Merkmale gleichzeitig benutzt werden. Die Erfindung ist daher nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbexspiel und dessen Abwandlungen beschränkt.

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Claims

T D - tf Patentanwälte:

Gr> D'pl.-Chem. G. Bühling

hupe - Hellmann Dipi.-mg. r. Kinne

O Q C "> 1 7 7 Dipl.-Ing. R Grupe

jL O 5 O I / / Dipl.-Ing. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.: 089-539653 Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent München

8. Dezember 1978 B 9335 / case VANDEN 3.0-001

Patentansprüche

1. Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus einer Wärmequelle mittels einer Anlage, die einen ersten Wärmetauscher, einen zweiten Wärmetauscher und eine Speichervorrichtung aufweist, die in Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher steht, wobei dem ersten Wärmetauscher Teilchenmaterial und ferner Wärme von der Wärmequelle zugeführt wird, so daß zum Teilchenmaterial Wärme von der Wärmequelle übertragen wird, dadurch gekennzeichnet , daß das erwärmte Teilchenmaterial aus dem ersten Wärmetauscher zur Speichervorrichtung überführt und dort gespeichert wird, bis es benötigt wird, daß das erwärmte Teilchenmaterial je nach Bedarf aus der Speichervorrichtung dem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird, daß ein zu erwärmendes Arbeitsmittel durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird und dabei eine gewünschte Wärmemenge vom Teilchenmaterial aufnimmt und daß die Zufuhr von Teilchenmaterial aus der Speichervorrichtung zum zweiten Wärmetauscher durch Feststellung zumindest einer Zustandsgröße des Arbeitsmittels gesteuert wird, wobei aufgrund dieser Feststellung die Zufuhr erwärmten Teilchenmaterials aus der Speichervorrichtung in den zweiten Wärmetauscher so gesteuert wird, daß das Arbeitsmittel in einem bestimmten Zustand gehalten wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle ein warmes Fluid umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Zufuhr von Teilchenmaterial derart erfolgt, daß der bestimmte Zustand des Arbeitsmittels eine, im wesentlichen konstante Temperatur des Arbeitsmittels ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Teilchenmaterial zur Wiederverwendung aus dem zweiten Wärmetauscher zum ersten Wärmetauscher zurückgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des Teilchenmaterials aus dem zweiten Wärmetauscher zum ersten Wärmetauscher in Abhängigkeit vom Durchfluß des Teilchenmaterials während der Zufuhr von der Speichervorrichtung zum zweiten Wärmetauscher gesteuert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Füllstand des erwärmten, in der Speichervorrichtung gespeicherten Teilchenmaterials festgestellt wird und daß in Abhängigkeit davon die Zufuhr von Teilchenmaterial und Wärme zum ersten Wärmetauscher gesteuert wird.

7. Anlage zur Rückgewinnung von Abwärme mit einem ersten Wärmetauscher, der einen Einlaß und einen Auslaß für ein durchzuleitendes warmes Fluid aufweist, und mit einem zweiten Wärmetauscher, der einen Einlaß und einen Auslaß für ein durchzuleitendes Arbeitsmittel aufweist, das erwärmt werden soll, gekennzeichnet durch eine Speichervorrichtung

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(16), die mit dem ersten Wärmetauscher (12) verbunden ist, aus dem sie mit Teilchenmaterial (50) versorgt wird, und die mit dem zweiten Wärmetauscher (14) verbunden ist, dem sie je nach Bedarf Teilchenmaterial zuführt, eine Umwälzvorrichtung (52, 54, 80, 94, 110) zur Förderung des Teilchenmaterials vom ersten Wärmetauscher (12) zur Speichervorrichtung (16) und von der Speichervorrichtung zum zweiten Wärmetauscher,(14), wobei zunächst ein Wärmeaustausch mit dem durch den ersten Wärmetauscher strömenden warmen Fluid erfolgt, dann das erwärmte Teilchenmaterial zur Speichervorrichtung überführt wird, die das erwärmte Teilchenmaterial speichert, und schließlich das erwärmte Teilchenmaterial bedarfsweise dem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird, in dem ein Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmittel (106) erfolgt und diesem Wärme zugeführt wird, und Steuermittel (96) zur Steuerung des Durchflusses des Teilchenmaterials aus der Speichervorrichtung zum zweiten Wärmetauscher in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsgröße des zu behandelnden Arbeitsmittels.

^;>>. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel- (96) den Durchfluß des Teilchenmaterials so steuert, daß die Temperatur des Arbeitsmittels am Auslaß (112) des zweiten Wärmetauschers (14) auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird.

9. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzvorrichtung (52, 54, 80, 94, 110) eine Fördervorrichtung (54) umfaßt, die das Teilchenmaterial (50) vom zweiten Wärmetauscher (14) zum ersten
Wärmetauscher (12) zurückführt.

10. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Speichervorrichtung (16) einen oberen Füllstandsfühler (90), der den Füllstand des

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Teilchenmaterials am oberen Ende der Speichervorrichtung feststellt, sowie einen unteren Füllstandsfühler (92) umfaßt, der den Füllstand des Teilchenmaterials in der Speichervorrichtung nahe dem unteren Ende der Speichervorrichtung feststellt, und daß ein Steuermittel (130) vorgesehen ist, das den Durchfluß des Teilchenmaterials vom zweiten Wärmetauscher (14) zum ersten Wärmetauscher (12) in Abhängigkeit von den Feststellungen der Füllstandsfühler steuert.

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