DEA0015236MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 25. Februar 1952 Bekanntgemacht am 6. Oktober 1955

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer industriellen Anlage, in der eine Luftzufuhr benötigt wird und heiße Abgase anfallen, wobei die in diesen enthaltene Abwärme zur Erhitzung eines einen geschlossenen Arbeitskreislauf beschreibenden, gasförmigen Arbeitsmittels dient, das hernach in einer Turbine entspannt. Die Abgase können hierbei von einem Ofen oder einer Feuerung anfallen, wobei die Luftzufuhr für den Verbrennungsprozeß benötigt wird. Durch die Ausnützung der Abwärme der Abgase in einem Arbeitskreislauf, wobei ein gasförmiges Arbeitsmittel in einer Turbine Leistung abgibt, ergibt sich ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlage.

Zweck der Erfindung ist nun, eine weitere Verbesserung der Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage unter gleichzeitiger Regelbarkeit der Temperatur der für den Verbrennungsprozeß zugeführ-

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leu Luft zu erreichen. Zu diesem liehufc wird errniduiigsgeniäü die Kintrittstempcratur des Arbeitsinitlels in die 'l'url)inc und damit auch die Temperatur des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels bei veränderlicher !!clashing der industriellen Anlage durch liceinilussung einer zusätzlichen, das Arbeitsmittel vor dem Kintritt in die Turbine erliilzeiiden Kciieruiig geregelt, wobei ferner das die Turbine verlassende Arbeitsmittel Wärme an die

ι» in der industriellen Anlage benötigte Luft abgibt.

I )ie Zeichnung zeigt in vereinfachter Darstellungswcisc einige beispielsweise Ausführuiigsfnniieii von ,Anlagen zur Ausführung des erlinduitgsgeniäücn Verfahrens, an Hand welcher auch das Verfahren beispielsweise erläutert wird. Ks zeig!

Kig. 1 eine Anlage, bei welcher das die Turbine verlassende Arbeitsmittel außerdem einen Teil seiner Wärme noch gleichzeitig an Luft abgeben kanu, die außerhalb der industriellen Anlage benötigt wird,

Kig. .'. eine Anlage, bei welcher das gesamte die Turbine verlassende Arbeitsmittel auch Wärme an das verdichtete Arbeitsmittel des Kreislaufes abgibt,

Kig. 3 eine ,Anlage, bei der nur ein Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels auch Wärme an das verdichtete Arbeitsmittel <]c^ Arbeitskreislaiifes abgibt und

Kig. .| eine Anlage, bei der ein Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels auch Wärme an einen Teil des verdichteten Arbeitsmittels des Arbeil skrei stau f es abgibt.

In Kig. 1 bezeichnet l einen Ofen, der eine Zu
fuhr von Luft benötigt, die durch ein von einem Motor _' angetriebenes (iebläse 3 geliefert wird und zur Verbrennung von durch eine Leitung 4 dem Ofen zugeführtem llremislolT dient. Heiße Abgase,

.·)<> die den Ofen 1 durch eine Leitung 5 verlassen, gelicu die Abwärme in einem Krhilzer 6 an ein gasförmiges Arbeitsmittel ab, welches einen Arbeitskreislauf beschreibt, wobei es sich nach der Krhilzimg in einer Turbine 7 entspannt, darauf einen

Ί5 Wärmeauslauscher 8 durchläuft und nach Verdichtung in einem Verdichter 1; wieder in den Krhitzer 6 gelangt, womit der Kreislauf durchlaufen ist. Der OluTselmß der Leistung der Turbine 7 über die vom Verdichter 9 aufgenommene Leistung wird als

5» Nutzleistung an einen elektrischen Stromerzeuger 10 abgegeben. Durch den Wärmeaustauscher 8 sin")iiit auch die von dem (iebläse 3 geförderte, vom Ofen 1 benötigte Krischluft, und zwar im Gegenstrom zum Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes, wie dies durch in die Figur eingetragene Pfeile angedeutet ist. I )as die Turbine 7 verlassende Arbeitsmittel gibt somit Wärme an die im Ofen 1 benötigte Luft al).

|e nach der !'clashing des Ofens 1 kann die von

fio ihm benötigte Luftmenge, die durch das Gebläse 3 zu liefern ist, sich verändern. Damit verändert sich aber auch die Wärmemenge, die im Wärmeaustauscher 8 von dem die Turbine 7 verlassenden Arbeitsmittel an die vom Ofen 1 benötigte Luft abzugeben ist, um eine vorgegebene Temperatur dieser Luft zu erreichen.

Die an die von der industriellen Wärmeanlage benötigte Luft abgegebene Wärmemenge wird nun dadurch geregelt, daß eine zusätzliche, das Arbeitsmittel vor dem Eintritt in die Turbine erhitzende Feuerung 15 vorgesehen ist und daß die Eiutrittstemperatur des Arbeitsmittels in die Turbine und damit auch die Temperatur des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels bei veränderlicher Belastung der industriellen Wärmcanlage durch liceinflussung dieser Feuerung geregelt wird. Diese Feuerung kanu durch einen von der Veränderung der Temperatur der an einer Stelle 16 zum Ofen 1 strömenden Luft ausgehenden, an einer Stelle 17 auf die Brennstoffzufuhr einwirkenden Regclimpuls beeinflußt werden.

Falls die durch das Gebläse 3 von der Atmosphäre geförderte Luft relativ tiefe Temperatur hat, wird auch das Arbeitsmittel aus dem Wärmeaustauscher 8 mit tiefer Temperatur austreten, und es kann dann zweckmäßig unmittelbar dem Verdichter 9 zugeführt werden. Bei etwas höherer Temperatur der durch das Gebläse 3 geförderten Luft wird die Austrittstemperatur des Arbeitsmittels aus dem Wärmeaustauscher 8 auch holier sein, und es ist dann vorteilhaft, das die Turbine 7 verlassende Arbeitsmittel nach Abgabe von Wärme an die in der industriellen Wärmeanlage benötigte Luft vor der Wiederverdichtung in einem in Fig. [ dargestellten Kühler 18 durch an einer Stelle 19 zufließendes Kühlwasser noch weiter zu kühlen. Damit wird die vom Verdichter 9 aufgezehrte Vcrdic.htuiigsleistuiig vermindert und somit die an den Nutzleistungsempfänger 10 abgegebene Leistung erhöht.

Falls noch ein weiterer Bedarf an heißer Luft als z. 1>. nur in einem Ofen 1 vorliegt, so kann das die Turbine verlassende Arbeitsmittel einen Teil seiner Wärme noch gleichzeitig an Luft abgeben, die außerhall) der industriellen Anlage für andere Zwecke als für die Verwendung im Ofen 1, dessen Abwärme im Arbeitskreislauf ausgenützt wird, benötigt wird. Solche Luft kann beispielsweise durch eine in Fig. 1 eingetragene, mit einem Absperrorgan 20 versehene Leitimg von der durch das Geblase 3 geförderten und im Wärmeaustauscher 8 erwärmten Luft abgezweigt werden. Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird die für andere Zwecke benötigte Luft erst nach voller Erwärmung im Wärmeaustauscher abgezweigt. Falls aber für die abgezweigte Luft eine geringere Temperatur verlangt wird als für die von der industriellen Wärmeanlage benötigte Luft, so kann die erstgenannte Luft auch schon nach teilweiser Erwärmung im Wärmeaustauscher 8 abgezweigt werden.

Es kann vorkommen, daß für die Erwärmung der in der industriellen Anlage benötigten Luft und von allfällig noch anderswo benötigter Luft eine geringere Wärmemenge erforderlich ist als jene, die in dem die Turbine verlassenden Arbeitsmittel zur Verfügung steht. Dann wird das Arbeitsmittel

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des Kreislaufes durch die vorzuwärmende Luft nur ungenügend abgekühlt, so daß entweder eine erhöhte Leistung verbraucht wird, um das entspannte Arbeitsmittel wieder zu verdichten und die verbleibende Nutzleistung sich entsprechend vermindert oder eine verhältnismäßig große Wärmemenge vor der Verdichtung in einem Kühler ungenützt weggeführt werden muß.

Eine weitere Verbesserung der Wirtschaftlichkeit

ίο wird dann dadurch erreicht, daß das die Turbine verlassende Arbeitsmittel: auch Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes abgibt.

Dieses Verfahren kann dabei in der Weise ausgeübt werden, daß das gesamte die Turbine verlassende Arbeitsmittel in aufeinanderfolgender Weise Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft und an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes abgibt. Es ist hierbei an sich unerheblich, ob die Wärmeabgabe an die in der industriellen Anlage benötigte Luft der Wärmeabgabe an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes vorangeht oder nachfolgt oder ob beide Wärmeabgaben in wechselnder Folge verlaufen.

Zweckmäßigerweise gibt dabei das die Turbine verlassende Arbeitsmittel nach dem Austritt aus der Turbine nacheinander Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft, darauf an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes und danach wieder an die in der industriellen Anlage benötigte Luft ab. Bei einem solchen Verfahren hat man den Vorteil, daß einerseits die in der industriellen Anlage benötigte Luft nahezu bis zur Austrittstemperatur des Arbeitsmittels aus der Turbine vorgewärmt werden kann und andererseits dieses Arbeitsmittel auf eine möglichst tiefe Temperatur abgekühlt wird, so daß es unter Umständen möglich äst, auf eine wertere Vorkühlung des Arbeitsmittels vor dessen Verdichtung zu verziehten.

Eine andere Ausübungsweise des Verfahrens, bei dem das die Turbine verlassende Arbeitsmittel auch Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes abgibt, besteht darin, daß nur ein Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels diese Wärme abgibt. Zweckmäßigerweise wird dabei dieser Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels dem restlichen Teil vor dessen vollständiger Abkühlung durch die in der industriellen Anlage benötigte Luft wieder beigemengt.

Der Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels, welcher Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes abgibt, kann diese Wärme an das gesamte verdichtete Arbeitsmittel abgeben. Um verdichtetes Arbeitsmittel auf eine möglichst hohe Temperatur zu erwärmen, ist es aber zweckmäßig, so zu verfahren, daß das verdichtete Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes, an das ein Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels Wärme abgibt, nur einen Teil der gesamten verdichteten Arbeitsmittelmenge beträgt. Des weiteren ist es von Vorteil, daß der Teil der verdichteten Arbeitsmittelmenge, an welchen von einem Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels Wärme abgegeben wurde, erst wieder der restlichen verdichteten Arbeitsmittelmenge beigemengt wird, bevor diese vollständig durch die Abwärme der in der industriellen Anlage anfallenden heißen Abgase vorgewärmt wurde.

In den Fig. 2, 3 und 4, welche beispielsweise Ausführungsformen von Anlagen darstellen, bei welchen das die Turbine verlassende Arbeitsmittel auch Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes abgibt, bezeichnet 21 einen Ofen, der Luft benötigt, die durch eine Leitung 22 zugeführt wird. Mit 23 ist eine Leitung bezeichnet, durch welche Brennstoff zugeführt wird. Heiße Abgase verlassen den Ofen durch eine Leitung 24 und geben die Abwärme in einem Erhitzer 25 an gasförmiges Arbeitsmittel ab, welches einen Arbeitskreislauf beschreibt, wobei es sich nach der Erhitzung sowohl durch die heißen Abgase mittels des Erhitzers 25 als auch durch die Zusatzfeuerung 15 in einer Turbine 26 entspannt. In einem Verdichter 27 wird das entspannte Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes wieder verdichtet.;Der Leistungsüberschuß der Turbine 26 über die Leistungsaufnahme des Verdichters 27 wird als Nutzleistung an einen elektrischen Stromerzeuger 28 abgegeben. Bei der in Fig. 2 dargestellten Anlage durchläuft das die Turbine 26 verlassende Arbeitsmittel einen Wärmeaustauscher 29, wobei es Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft abgibt, und gelangt hernach in einen Wärmeaustauscher 30, in welchem es Wärme an in einer Leitung 31 zuströmendes verdichtetes Arbeitsmittel des Kreislaufes abgibt. Hernach gelangt das die Turbine verlassende Arbeitsmittel in einen Wärmeaustauscher 32, in welchem es nochmals Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft abgibt. Das die Turbine 26 verlassende Arbeitsmittel gibt somit in aufeinanderfolgender Weise Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft und an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes ab, und zwar in der Weise, daß es nach dem Austritt aus der Turbine nacheinander Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft, darauf ein verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes und danach wieder an die in der industriellen Anlage benötigte Luft abgibt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Anlage wird von dem die Turbine 26 verlassenden Arbeitsmittel ein Teil abgezweigt und durch eine Leitung 33 einem Wärmeaustauscher 34 zugeführt, in dem dieser Teil des Arbeitsmittels Wärme an das durch die Leitung 31 zuströmende verdichtete Arbeitsmittel abgibt. Der andere Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels gibt in einem Wärmeaustauscher 35 Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft ab. Der Wärme an das verdichtete Arbeitsmittel abgebende Teil des die Turbine 26 verlassenden Arbeitsmittels wird an einer Stelle 36 dem Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels, welcher Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft abgibt, vor dem Austritt aus dem Wärmeaustauscher 35 wieder beigemengt. Es

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Claims (8)

A 15236 I al46 f gibt somit nur ein Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes ab, und dieser Teil wird fernei' dem restlichen Teil vor dessen vollständiger Abkühlung durch die in der industriellen Anlage benötigte Luft wieder beigemengt. Hei der in Fig. 4 dargestellten Anlage wird wiederum von dein die Turbine 26 verlassenden Arbeitsmittel durch eine Leitung 37 ein Teil abgezweigt, welcher in einem Wärmeaustauscher 3^ Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes abgibt und an einer Stelle 39 wieder dem restlichen Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels beigemengt wird, nachdem dieser in einem Wärmeaustauscher 40 Wärme an die von der industriellen Anlage benötigte Luft abgegeben hat. Mit 4 1 ist ferner ein Kühler bezeichnet, in welchem das entspannte Arbeitsmittel vor Eintritt in den Verdichter 27 noch weiter gekühlt wird. Das durch den Wärmeaustauscher 3S strömende verdichtete Arbeitsmittel wird von der gesamten den Verdichter 27 verlassenden verdichteten Arbeitsmittelmenge an einer Stelle.|2 abgezweigt und mit dem übrigen Teil an einer im F.rhitzer 25 gelegenen Stelle 43 wieder beigemengt. Das verdichtete Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes, an das ein Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels Wärme abgibt, beträgt somit nur einen Teil der gesamten verdichteten Arbeitsmittelmenge, und ferner wird dieser Teil der verdichteten Arbeitsmittelmenge erst wieder der restlichen verdichteten Arbeitsmittelmenge beigemengt, bevor diese vollständig durch Abwärme der in der industriellen Anlage anfallenden heißen Abgase vorgewärmt wurde. In Anlagen, bei denen Abwärme aus festen Rückständen, wie I lochofenschlacken, oder aus festen (intern, wie (ilühkoks, Masseln u. dgl., anfällt, kann die in der industriellen Anlage benötigte Luft zur Kühlung eines solchen Stückgutes verwendet werden. Hei Ausführung des erfindungsgemäl.ien Ver-. fahrens gibt dann zweckmäßigerweise das die Turbine verlassende Arbeitsmittel Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft ab, nachdem diese Luft zuvor zur Kühlungeines Stückgutes verwendet worden ist. Die Wärmeübertragung vom Stückgut zu der in der industriellen Anlage benötigten Luft kann dabei unmittelbar oder, insbesondere wenn eine chemische Reaktion zwischen der Luft und dem Stückgut verhindert werden soll, mittelbar durch ein inertes Gas als Zwischenwärmeträger erfolgen. Line Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens ist beispielsweise im Zusammenhang mit einer Anlage, bei der das die Turbine verlassende Arbeitsmittel auch Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes abgibt, in Eig. 4 dargestellt. Mit 44 ist hier ein Wärmeaustauschapparat bezeichnet, bei dem heißes Stückgut an einer Stelle.15 eintritt und an einer Stelle 46 wieder austritt. Es kühlt sich im Wärmeaustauschapparat 44 ab, indem es seine Wärme an die durch die Leitung 22 dem Ofen 21 zuströmende Luft vor deren Eintritt in den Wärmeaustauscher 40 abgibt. Das die j Turbine 26 verlassende Arbeitsmittel gibt somit im Wärmeaustauscher 40 Wärme an die in der inclustriellen Anlage benötigte Luft ab, nachdem diese Luft zuvor im Wärmeaustauschapparat 44 zur Kühlung eines Stückgutes verwendet worden ist. Pa τ κ ν ta ν s ρ r 0 c η Ε:

1. Verfahren zum Betrieb einer industriellen Anlage, in der eine Luftzufuhr benötigt wird und heiße Abgase anfallen, wobei die in diesen enthaltene Abwärme zur Erhitzung eines einen geschlossenen Arbeitskreislauf beschreibenden gasförmigen Arbeitsmittels dient, das hernach sich in einer Turbine entspannt, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittstemperatur des Arbeitsmittels in die Turbine und damit auch die Temperatur des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels bei veränderlicher Belastung der industriellen Anlage durch Beeinflussung einer zusätzlichen, das Arbeitsmittel vor dem Eintritt in die Turbine erhitzenden Feuerung geregelt wird, wobei das die Turbine nach der Entspannung verlassende Arbeitsmittel Wärme an die in der Anlage benötigte Luft abgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Turbine verlassende Arbeitsmittel einen Teil seiner Wärme noch gleichzeitig an Luft abgibt, die außerhalb der industriellen Anlage benötigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Turbine verlassende Arbeitsmittel nach dem Austritt aus der Turbine nacheinander Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft, darauf an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbcitskreislaufcs und danach wieder an die in der industriellen Anlage benötigte Luft abgibt. <

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbcitskreislaufcs abgibt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels, welcher Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskrcislaufes abgibt, dem restlichen Teil vor dessen vollständiger Abkühlung durch die in der industriellen Anlage benötigte Luft wieder beigemengt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufcs, an das ein Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels Wärme abgibt, nur einen Teil der gesamten vcrdichteten Arbeitsmittelmenge beträgt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen τ, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der verdichteten Arbcitsmittelmcngc, an welchen von einem Teil des die Turbine verlassenden Arbeitemittels Wärme abgegeben wurde, erst wieder

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der restlichen verdichteten Arbeitsmittelmenge beigemengt wird, bevor diese vollständig durch die Abwärme der in der industriellen Anlage anfallenden heißen Abgase vorgewärmt wurde.

8. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das die Turbine verlassende Arbeitsmittel Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft abgibt, nachdem diese Luft zuvor zur Kühlung eines Stückgutes verwendet worden ist.

Angezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 440 148;

Zeitschrift: Techn. Mitteilungen, Bd. 43 (1950), Nr. 11, S. 524 und 525;

Zeitschrift: Brennstoff — Wärme — Kraft, Bd. 3 (1951), Nr. 10, S. 342;

Zeitschrift: Escher-Wyss-Mitteilungen, Bd. 21/22 (1948/1949), S. 95 und 96;

Buch: Norman Davey, The Gas-Turbine, London, 1914, S. 22 und 23.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen