DE3116006A1

DE3116006A1 - Method for storing waste heat

Info

Publication number: DE3116006A1
Application number: DE19813116006
Authority: DE
Inventors: Horst Dr.-Ing. 1000 Berlin Gatzke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-04-14
Filing date: 1981-04-14
Publication date: 1982-10-28
Also published as: DE3116006C2

Abstract

The present method starts from the fact that there is a large number of industrial processes, in which waste heat arises in large quantities which has previously been given off to the immediate environment or other surroundings. The method of storing waste heat is in this case directed in particular at smoke gas waste heat of furnace installations of all types, which arises in industrial processing and manufacturing processes. These gases, after neutralisation of the aggressive components which are possibly contained therein, are delivered by means of heat exchangers to a heat transfer medium which is connected in a closed circuit to large-volume regions of the earth, lakes and the like, which are used as accumulators. The self-contained regions of the earth are adequately sealed and thermally insulated against external influences, such as inflow and outflow of foreign water. To ensure a laminar stratification of the heated water which runs into a closed earth region filled with water and on the other hand the drawing off of the lower cold water, use is made of large-area inflow and draw-off funnels.

Description

Verfahren zum Speichern von AbwärmeProcess for storing waste heat

Verfahren zum Speichern von Abwärme Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Speichern von Abwärme nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.Method for storing waste heat The invention relates to a method for storing waste heat according to the preamble of claim 1.

Es gibt eine Vielzahl von Industrieprozessen, bei denen Abwärme in großen Mengen anfällt, die bisher ungenutzt an die unmittelbare Umgebung oder sonstige Umwelt abgegeben wird und hier zu einem häufig erheblichen Teil das mitunter noch vorhandene biologische Gleichgewicht stört oder sonstige nachteilige Auswirkungen zeitigt. Die Beseitigung industriell anfallender Abwärme macht sich bemerkbar in signifikant nachweisbaren lokalen Veränderungen des Wetters in industriellen Ballungszentren und reicht hin bis zur Aufwärmung unserer Flüsse in einem Maße, das ein Massensterben der möglicherweise in diesen bisher noch überlebt habenden Fische nach sich zieht.There are a variety of industrial processes that waste heat in large amounts accumulate, which were previously unused in the immediate vicinity or otherwise Environment is released and here to an often considerable part that sometimes still disturbs the existing biological equilibrium or has other adverse effects leads to. The elimination of industrial waste heat is noticeable in significantly demonstrable local changes in the weather in industrial conurbations and extends to Warming up our rivers to the extent that the mass extinction of those who may have survived in these so far Attracts fish.

Große Mengen industriell anfallender Abwärme befinden sich insbesondere in den Rauchgasen der Feuerungsanlagen, die über Industrieschornsteine in die Umwelt abgegeben werden bzw. in Kraftwerksanlagen, Verhüttungsbetrieben, aber auch der Keramikindustrie, Ziegelbrennereien und dergleichen mehr. Die Rauchgastemperaturen liegen bei Austritt in die freie Atmosphäre je nach Industriezweig zwischen 200 - 500 OC. Bei der Porzellanindustrie, in Ziegeleien und hiermit vergleichbaren Industriezweigen fallen darüber hinaus noch große Mengen an Kühlwärme an, die nach dem Brennvorgang während des Abkühlens der gebrannten Gegenstände frei werden.In particular, there are large amounts of industrially generated waste heat in the flue gases of the combustion systems, which are released into the environment via industrial chimneys are delivered or in power plants, smelting plants, but also the Ceramic industry, brick factories and the like. The flue gas temperatures are between 200, depending on the branch of industry, when they escape into the free atmosphere - 500 OC. In the porcelain industry, in brickworks and related branches of industry In addition, large amounts of cooling heat are generated after the firing process become free during the cooling of the fired items.

Obwohl in der Vergangenheit für spezielle Industriezweige Versuche für eine wirtschaftliche Rückgewinnung bestimmter Abwärmebereiche unternommen und erfolgreich durchgeführt wurden, stieß insbesondere die Rückgewinnung der Abwärme aus den Rauchgasen auf erhebliche Schwierigkeiten, da diese nicht selten aggressive Komponenten enthalten, die eine Einleitung derselben beispielsweise in Wärmetauscher praktisch unmöglich machten. Erst nachdem im Rahmen der vorliegenden Anmeldung nicht interessierende Verfahren zur Neutralisierung solcher Rauchgase in Vorschlag gebracht worden sind ( P 30 27 910.8 und P 30 45 934.8) eröffnet sich hier eine Möglichkeit, diese gewaltigen Energiemengen nicht mehr in noch dazu die Umwelt negativ belastender Weise im wahrsten Sinne des Wortes in die Luft zu blasen, sondern über Wärmetauscher zurückzugewinnen.Although in the past for special branches of industry attempts undertaken for the economic recovery of certain waste heat areas and were successfully carried out, particularly the recovery of waste heat from the flue gases to considerable difficulties, as these are not infrequently aggressive Components contain the introduction of the same, for example, in heat exchangers made practically impossible. Only after not in the context of the present application interesting method for the neutralization of such flue gases brought into proposal have been (P 30 27 910.8 and P 30 45 934.8) this opens up the possibility of These enormous amounts of energy are no longer negatively impacting the environment Way in the truest sense of the word to blow in the air, rather above To recover heat exchangers.

Diese Rückgewinnung allein löst jedoch nicht das durch die ständig wachsende Energieverknappung gegebene allgemeine Problem, da beispielsweise die während der Sommerzeit anfallende Abwärme in aller Regel nicht in vollem Umfang benötigt wird, während sie in der Winterzeit nicht ausreicht, die vorhandene Kapazität etwa von Fernheizungsanlagen für die Beheizung ganzer kommunaler Bereiche, von Gewächshäusern und dergleichen mehr auszufüllen.However, this recovery alone does not solve this by constantly growing energy shortage given general problem, as for example the As a rule, the full amount of waste heat generated during the summer is not available what is needed, while it is not sufficient in winter time, is the available capacity such as district heating systems for heating entire communal areas, greenhouses and the like to be filled out.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, eine Speichermöglichkeit für die kontinuierlich oder diskontinuierlich in jeder Jahreszeit anfallende Abwärme von Industrieprozessen zu schaffen, die gewährleistet, die auch über große Zeiträume wie beispielsweise ein halbes Jahr und mehr speicherbare Energie dann und in einem Umfange abrufen zu können, wenn sie tatsächlich benötigt wird.This is where the present invention comes in, which is based on the object is a storage option for continuously or discontinuously in to create waste heat from industrial processes occurring every season, which ensures which can also be saved over long periods of time such as six months and more To be able to call up energy when and to the extent that it is actually needed will.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale erreicht.This object is achieved according to the invention by means of the characteristics of claim 1 specified features achieved.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieser Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments and refinements of this task solution result from the subclaims.

Die wo und wie auch immer anfallende bisher ungenutzt gebliebene Abwärme kann in einem Fließmedium wie Wasser, einer chemischen Lösung, aber auch in Abgasen enthalten sein, wobei diesem Fließmedium die Wärme über einen oder mehrere Wärmetauscher entzogen wird, wofür zunächst Sorge zu tragen ist, daß der Wärme- tauscher durch das Fließmedium nicht zerstört wird, was in der Vergangenheit beispielsweise bei einer Vielzahl von industriellen Rauchgasen der prall war. über all dort, wo diese Problematik gegeben ist, ist somit zunächst für eine Neutralisierung der aggressiven Komponenten des die Abwärme enthaltenden Fließmediums Sorge zu tragen. Als Wärmeträger, der die Abwärme über den Wärmetauscher aufnimmt, bietet sich im allgemeinen Wasser in jeder Form an, also beispielsweise als Grundwasser, Brauchwasser, Oberflächenwasser oder dergleichen mehr, welches in vorteilhafter Weise je nach den vorliegenden Bedingungen beispielsweise in stillgelegten Tagebaubetrieben ,etwa Kreidegruben der Zementindustrie, Braunkohletagebauen aber auch stillgelegten Untertage-Erzberg-Werken gleichermaßen wie in natürlichen Kavernen innerhalb des Erdreiches in großen Mengen gespeichert werden kann. Solche künstlichen oder natürlichen Speichervolumina sind hierfür möglichst gegen thermische Verluste und Fremde in wirkungen zu isolieren, wobei insbesondere dafür Sorge zu tragen ist, daß beispielsweise fließendes Grundwasser, welches das Warmwasser mit sich abführen würde, von solchen Speicherräumen ferngehalten wird.The waste heat that has remained unused wherever and in whatever way can be in a fluid such as water, a chemical solution, but also in exhaust gases be included, with this flow medium the heat via one or more heat exchangers is withdrawn, for which care must first be taken that the heat exchangers is not destroyed by the fluid medium, which has been the case in the past, for example with a variety of industrial flue gases that was bulging. everywhere, where This problem is given, is therefore initially for a neutralization of the aggressive Components of the flow medium containing the waste heat to take care of. As a heat transfer medium, which absorbs the waste heat via the heat exchanger is generally water in any form, for example as groundwater, industrial water, surface water or the like, which is advantageous depending on the prevailing conditions for example in disused open-cast mining operations, such as chalk pits in the cement industry, Opencast lignite mines as well as disused underground ore mining works like stored in natural caverns within the ground in large quantities can be. Such artificial or natural storage volumes are ideal for this to insulate against thermal losses and strangers in effects, in particular Care is to be taken that, for example, flowing groundwater, which the Hot water would carry away with it, is kept away from such storage spaces.

Es sind eine Vielzahl von Methoden bekannt, bei denen mit chemischen Verbindungen unterirdische Hohlräume gegen eindringendes Fremdwasser abgesichert und abgedichtet werden können und es ist denkbar, daß die Wände dieser Hohlräume oder Gruben mit preisgünstigen Kunststoffen ausgeschäumt und damit ausreichend thermisch gegen das angrenzende Erdreich isoliert werden. Auch sind geologische Formationen denkbar, in denen ähnlich wie in natürlichen Grundwasserblasen durch die geologische Struktur natürlich entstandene in sich abgeschlossene Bereiche bereits vorliegen, die sich durch eine große Wärmekapazität kennzeichnen und die von dem Wärmemittelträger durchfließbar aufgeheizt werden und so einen Wärmespeicher bilden, dessen Wärmeinhalt etwa in den Wintermonaten wieder abgerufen werden kann.A variety of methods are known that involve chemical Connections underground cavities secured against ingress of foreign water and can be sealed and it is conceivable that the walls of these cavities or pits filled with inexpensive plastics and therefore sufficiently thermally be insulated from the adjacent soil. Also are geological formations conceivable in which similar to natural groundwater bubbles by the geological Structure naturally created self-contained areas already exist, which is characterized by a large heat capacity mark and those of the heat medium carrier can be heated through and thus a heat storage form, the heat content of which can be called up again in the winter months.

Bei dey.-Verwendung von Wasser als Speichermedium in großvolumigen Bereichen unterhalb der Erdoberfläche ist es beispielsweise denkbar, dieses ohne Schwierigkeiten während der Sommermonate durch industriell anfallende Abwärme und ggf. mit zusätzlicher Unterstützung der Ausnutzung der Sonnenenergie auf ca.When using water as a storage medium in large-volume Areas below the earth's surface, for example, it is conceivable to do this without Difficulties during the summer months due to industrial waste heat and possibly with additional support for the utilization of solar energy to approx.

80 OC aufzuwärmen, woraufhin dann in den Wintermonaten dieser enorme Energiespeicher für großangelegte Fernheizungen, Warmwasserverbrauch aller Art und dergleichen mehr ausgenutzt werden kann. Besonders vorteilhaft erscheint die Anlegung solcher Warmwasserreservoirs in stillgelegten Bergwerken in großer Tiefe des Erdreiches, beispielsweise auch in Salzkavernen, die durch den Salzabbau im Spülverfahren'entstehen, da die Temperatur in diesen Tiefen ohnehin bereits in der Größenordnung von 60 OC und mehr für das die Hohlräume umgebende Gestein liegt. Bei der Verwendung von stillgelegten Tagebauten als Warmwasserreservoir ist dafür Sorge zu tragen, daß durch Aufbringung von thermisch isolierenden Schwimmkörpern die Oberflächenabstrahlung des Warmwassers möglichst gering gehalten wird.80 OC to warm up, followed by this enormous one in the winter months Energy storage for large-scale district heating, hot water consumption of all kinds and the like can be exploited more. The application appears to be particularly advantageous such hot water reservoirs in disused mines at great depths of the earth, for example also in salt caverns that are created by salt mining in the flushing process, since the temperature at these depths is already in the order of 60 OC and more for the rock surrounding the cavities. When using disused Opencast mines as hot water reservoirs have to be taken care of by application the surface radiation of the hot water from thermally insulating floating bodies is kept as low as possible.

Da die Dichte des Wassers oberhalb 4 0C mit steigender Temperatur abnimmt, wird in einem wie hier zu betrachtenden stehenden Wasser sich ein Temperaturgradient von unten nach oben einstellen, bei dem mit wachsender Tiefe die Temperatur sinkt, wobei dieser Temperaturgradient dann für den Wärmetauscher die Effektivität des Wärmeüberganges bestimmt. Bei einem Übermaß anfallender Abwärme während der Sommermonate wird somit unter jeder Vermeidung von Verwirbelungen am Boden des Großraumspeichers kaltes Wasser abgesogen, über den mit der Abwärme versorgten Wärmetauscher erwärmt und im Oberflächenbereich des Wasserreservoirs das erwärmte Wasser im Kreislauf wieder aufgetragen, wofür es vorteilhaft ist, trichterförmige Schwimmkörper auf der Oberfläche anzuordnen, über die relativ große Wassermengen bei laminaren Strömungsverhältnissen großflächig ausgetragen werden können.Since the density of water is above 4 0C with increasing temperature decreases, there will be a temperature gradient in standing water like the one to be considered here adjust from bottom to top, at which the temperature decreases with increasing depth, this temperature gradient then the effectiveness of the heat exchanger Determined heat transfer. At a Excessive waste heat During the summer months, avoiding turbulences at all The bottom of the large-capacity storage tank draws off cold water, which is then supplied with the waste heat Heat exchanger heated and the heated in the surface area of the water reservoir Water reapplied in the circuit, for which it is advantageous, funnel-shaped To arrange floating bodies on the surface, over the relatively large amounts of water can be discharged over a large area in the case of laminar flow conditions.

Denkbar ist beispielsweise auch eine Rohrleitungsanordnung vergleichbar mit einem umgedrehten Regenschirmgestell , bei dem im Speicherbetrieb das Wasser über die speichenförmigen Rohranordnungen von unten abgesaugt und über den mittleren nabenartigen Rohrabschnitt bei trichterförmiger Erweiterung im Bereich der Oberfläche zugeführt wird.It is also conceivable, for example, to compare a pipeline arrangement with an upturned umbrella frame in which the water is in storage mode Sucked off from below via the spoke-shaped pipe arrangements and via the middle one Hub-like pipe section with a funnel-shaped expansion in the area of the surface is fed.

Bei der Entnahme des Warmwassers in kalten Jahreszeiten wird entsprechend umgekehrt verfahren, wobei es vorteilhaft ist, ein- und denselben Wärmetauscher im Umkehrbetrieb zu fahren, wobei in jedem Falle die Wasserzuführung und die -abführung so zu erfolgen hat, daß das sich einstellende Temperaturgleichgewicht innerhalb des Reservoirs nicht gestört, also das Wasser nicht verwirbelt wird. Jede Verwirbelung würde den sich ausbildenden Temperaturgradienten verkleinern und damit den Wirkungsgrad für den Wärmeaustauscher verringern. Sollte die über den Wärmeaustauscher zu gewinnende Wärme nicht ausreichen, um beispielsweise Brauchwasser ausreichend aufzuheizen oder ein Zentralheizungssystem betreiben zu können, ist die Zwischenschaltung von Wärmepumpen angezeigt.When drawing off hot water in cold seasons, the same applies proceed in reverse, it being advantageous to use one and the same heat exchanger to drive in reverse operation, with the water supply and drainage in each case has to be done in such a way that the temperature equilibrium that is established is within of the reservoir is not disturbed, so the water is not swirled. Any swirl would reduce the developing temperature gradient and thus the efficiency for the heat exchanger. Should be obtained through the heat exchanger Not enough heat to heat up industrial water sufficiently, for example, or To be able to operate a central heating system is the interposition of heat pumps displayed.

Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, das Wasser als Wärmeträger durch Zusatz von Mineralien und anderen Stoffen bezüglich der Wärmekapazitätseigenschaften positiv zu beeinflussen. Gleichermaßen vorteilhaft kann es sein, einen beispielsweise geologisch gewachsenen in sich abgeschlossenen Bereich etwa innerhalb einer Gesteinsschicht, der sich durch hohe Wärmekapazität auszeichnet, und der darüber hinaus möglicherweise auch noch gegen eindringendes Fremdwasser durch die geologischen Gegebenheiten geschützt ist, als natürlichen Wärmespeicher zu benutzen, den dann wiederum beispielsweise über den Wärmetauscher gegebenes Grundwasser als kontinuierliches Wärmetransportmittel durchströmt. Andere Wärmeträger sind gleichermaßen denkbar, beispielsweise in geschlossenen Rohrsystemen, umlaufendes Thermoöl oder dergleichen mehr.In addition, it can be advantageous to use the water as a heat transfer medium by adding minerals and other substances with regard to the heat capacity properties to influence positively. It can be equally advantageous, for example geologically grown self-contained area within a rock layer, which is characterized by high heat capacity, and possibly beyond that also protected against the ingress of foreign water by the geological conditions is to be used as a natural heat store, which in turn, for example Groundwater given through the heat exchanger as a continuous heat transport medium flows through. Other heat carriers are equally conceivable, for example in closed Pipe systems, circulating thermal oil or the like.

Für die Verwendung des in den natürlichen und/oder künstlichen Wärmespeichern mit den hier angesprochenen großen Volumina während der Sommerzeit durch Abwärme und/oder Sonnenenergie aufgeheizten Energiespeicher sind keinerlei Grenzen gesetzt, vielmehr ist jede wirtschaftlich sinnvolle Art der Anwendung denkbar.For use in natural and / or artificial heat storage with the large volumes mentioned here during the summer due to waste heat and / or energy storage heated by solar energy, there are no limits, on the contrary, any type of application that makes economic sense is conceivable.

Claims

Claims 1. A method for storing waste heat, preferably the flue gas waste heat generated in industrial processing and manufacturing processes q? on firing systems of all kinds, d u r c h e k e n n -z e i c h n e t that the waste heat after neutralization, possibly in the flow medium containing it aggressive components contained in a heat exchanger to a heat transfer medium is released, which is self-contained in natural and / or artificially created large-volume areas of the ground is stored and / or these areas in an at least approximately closed circuit in a laminar flow when reversing the heat exchanger function between summer and winter operation.

2. The method according to claim 1, characterized in that the inherent closed areas of the ground sufficient to protect against external influences, such as and drainage of extraneous water or the like sealed and thermally insulated disused mining facilities, natural caverns, limited geological formation deposits or the like are more.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the The heat carrier is water.

4. The method according to claim 1-3, characterized in that the laminar stratification of the earth in a closed area filled with water incoming heated water and vice versa the suction of the lower cold water takes place by means of a large inlet or suction funnel.

5. The method according to claim 1-4, characterized in that the due to the laminar stratification in the water or. Underground storage from top to bottom with falling temperatures adjusting temperature gradient with recovery of the the waste heat energy fed to the storage tank is amplified by adding a heat pump will.