WO2024251458A1 - System zur rückgewinnung von energie - Google Patents

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WO2024251458A1
WO2024251458A1 PCT/EP2024/062766 EP2024062766W WO2024251458A1 WO 2024251458 A1 WO2024251458 A1 WO 2024251458A1 EP 2024062766 W EP2024062766 W EP 2024062766W WO 2024251458 A1 WO2024251458 A1 WO 2024251458A1
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air
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compressors
compressed air
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PCT/EP2024/062766
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English (en)
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Klaus Weinzierl
Thomas Matschullat
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Primetals Technologies Germany GmbH
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Primetals Technologies Germany GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F22B1/183—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines in combination with metallurgical converter installations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines

Definitions

  • the present invention is based on a system for recovering energy
  • the system comprises a main unit which produces hot exhaust gases during operation
  • main system has a discharge device through which the exhaust gas flows and via which the exhaust gas is discharged from the main system.
  • a system which is used to generate electrical energy.
  • the system has a compressor arrangement which has a number of compressors.
  • air is compressed to a final pressure.
  • the final pressure can be at a higher value, for example 300 bar.
  • the compressed air is expanded to a significantly lower intermediate pressure of typically 40 bar to 80 bar by means of a first reduction valve.
  • the expanded air is heated to the ambient temperature by means of a heat exchanger 10 downstream of the first reduction valve 9 and fed to an intermediate storage tank.
  • the air taken from the intermediate storage tank is expanded to a significantly lower pressure again by means of a second reduction valve. This pressure is the working pressure. It can be between 5 bar and 20 bar.
  • the again expanded air is heated again to the ambient temperature by means of a heat exchanger downstream of the second reduction valve. Only then is the air heated in a heat exchanger to a higher temperature of around 300 °C.
  • the thermal energy is supplied to the heat exchanger from a heat source, which can be a heat storage unit fed by a solar thermal system.
  • the heated air is fed to a compressed air motor, which can operate a generator.
  • the object of the present invention is to create possibilities by means of which the recovery of energy from the waste heat of the industrial technical process, i.e. from the heat of the hot exhaust gas of the main plant, can be improved.
  • a system for recovering energy with the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the system are the subject of the dependent claims 2 to 15.
  • a system for recovering energy of the type mentioned at the outset is designed in that
  • the system comprises a compressor arrangement having a number of compressors, by means of which air supplied to the compressor arrangement and having an initial temperature is compressed from an initial pressure to a final pressure and an intermediate temperature,
  • the system has a heat exchanger arranged downstream of the compressor arrangement, through which the air compressed to the final pressure and the intermediate temperature flows and by means of which the heat of the exhaust gas flowing through the discharge device is supplied to the air flowing through the heat exchanger and the air is thus heated to a final temperature, and
  • the system has a compressed air motor downstream of the heat exchanger, to which the air heated to the final temperature and at the final pressure is supplied, which is operated with this air and from which the air is discharged at a discharge temperature and a discharge pressure.
  • the main plant can be designed as desired, as long as it generates the hot exhaust gas.
  • the main plant is often a plant in the steel industry, in particular a slab furnace, a blast furnace, a converter or an electric steelworks.
  • the present invention is not limited to such plants.
  • the compressed air motor drives an electric generator, which generates electrical energy.
  • the mechanical energy generated by the compressed air motor can also be used for other purposes.
  • the number of compressors is greater than 1 and the compressors are arranged in series one behind the other, so that the air, starting from the initial pressure, is compressed in several stages to the final pressure.
  • the system preferably has cooling devices arranged between two consecutive compressors, by means of which the air conveyed from the compressor upstream of the respective cooling device to the compressor downstream of the respective cooling device is cooled. This reduces the energy required to operate the compressors, at the same time maximises the amount of compressed air and also keeps the intermediate temperature relatively low. The heat of the hot exhaust gas can thus be used to a much greater extent to heat up the compressed air. At the same time, the exhaust gas can be cooled to a greater extent.
  • the air in the cooling devices is generally cooled as far as possible, if possible down to the initial temperature. Behind the last compressor, from which the air is compressed to the final pressure and the intermediate temperature, However, no cooling device is provided. In the case of a single compressor, this applies to the single compressor.
  • the system prefferably has a further heat exchanger which is arranged in the discharge device and by means of which the heat of the exhaust gas is transferred to an intermediate medium, and the intermediate medium acts directly or indirectly on the heat exchanger which heats the air.
  • the intermediate medium can be a thermal oil, for example.
  • the use of the further heat exchanger is particularly suitable when the exhaust gas has a temperature of 300 °C or less.
  • an advantageous embodiment consists in that the system has a heat accumulator, that the heat exchanger is arranged at least in the upper region of the heat accumulator and preferably the air flowing through the heat exchanger flows through the heat accumulator from bottom to top and that a heat emission device is arranged at least in the lower region of the heat accumulator and preferably the intermediate medium flows through the heat accumulator from top to bottom, so that the intermediate medium introduces heat into the heat accumulator via the heat emission device.
  • a certain buffer capacity can be provided so that a uniform operation of the compressed air motor can be achieved despite varying amounts of hot exhaust gas.
  • the heat dissipation device is simply a feed pipe through which the intermediate medium is fed into the heat storage unit. In this case, part of the intermediate medium is located in the heat storage unit.
  • the intermediate medium and the storage medium of the heat storage unit are in this case one and the same medium.
  • the heat dissipation device can be a (further) heat exchanger, so that the medium of the heat storage unit is separated from the intermediate medium.
  • the heat exchanger it is possible for the heat exchanger to be arranged in the discharge device so that the heat of the exhaust gas is transferred directly to the heat exchanger.
  • This solution is particularly advantageous when the exhaust gas has a temperature above 300 °C. At such temperatures, conventional intermediate media, such as thermal oil, are often no longer stable.
  • the system preferably has a compressed air reservoir that is arranged between the heat exchanger and the compressed air motor.
  • This allows compressed air to be generated and stored in reserve within the capacity of the compressed air reservoir.
  • the operation of the compressed air motor can thus be made more uniform.
  • the air supplied to the compressor arrangement is taken from the environment. As a result, no compressed air reservoir is required on the inlet side of the compressor arrangement. Pre-compression of the air is also not required. However, it may be necessary to clean the air before it is supplied to the compressor arrangement.
  • the air emitted by the compressed air motor is also emitted into the environment.
  • the system preferably has a control device by means of which the compressor arrangement and/or the compressed air motor are controlled in such a way that the discharge temperature and the discharge pressure at least approximately correspond to the initial pressure and the initial temperature.
  • the resulting efficiency of the overall arrangement can thereby be optimized.
  • the compressors of the compressor arrangement can be designed as required. In some cases it may be possible for the compressor arrangement to have gas turbines as compressors. However, other designs are often more advantageous.
  • the compressors can be designed as follows:
  • the compressors have a first and a second shaft, the shaft axes of which are arranged parallel to each other with a lateral offset and which rotate synchronously and at the same speed during operation, so that the two shafts roll against each other and are hermetically sealed against each other,
  • the compressors have a housing that surrounds the first shaft in a ring shape
  • the first shaft has a nose on its outside which runs around the housing in a sealing manner
  • the second shaft has a recess on its outside into which the nose of the first shaft temporarily dips when the shafts rotate and from which the nose of the first shaft later releases again,
  • a supply opening and an outlet opening are arranged in the housing, which, viewed in the direction of rotation of the first shaft, are passed by the nose shortly after it is released from the recess or shortly before it is immersed in the recess, so that the nose divides a respective cavity formed by the first shaft and the surrounding housing into a first and a second section, the first section extending from the angular position at which the nose of the first shaft is released from the recess of the second shaft to the current angular position of the nose and the second section extending from the current position of the nose to the angular position at which the nose of the first shaft immerses in the recess of the second shaft,
  • the inlet opening is permanently open so that air is continuously supplied to the first section, - the compressed air is released through the outlet opening,
  • the outlet opening is associated with a closing device, by which the outlet opening is briefly opened during a period in which the nose is located shortly before the nose of the first shaft enters the recess of the second shaft and is then closed again.
  • the opening and closing of the outlet opening can be achieved by the shape of the first and second shaft. As long as the outlet opening is open, the compressed air can be taken from the respective compressor.
  • Such a design of a compressor is known per se.
  • the compressor parts of an Astron motor are designed in this way.
  • Astron motors are described in detail, for example, in US 2021/0 040885 A1, US 10 844 782 B1, US 2022/0 056 802 A1 and US 2023/0 092 617 A1.
  • the compressors are designed as screw compressors.
  • Screw compressors are well known to experts. Purely as an example, reference can be made to the entry "gear pump” and the section “screw pump” there in the German Wikipedia, accessed on May 5, 2023. Screw compressors are also commercially available on the market.
  • a screw compressor has two counter-rotating shafts that trap air in a chamber between them. The chamber moves in the axial direction when the two shafts rotate, which reduces the chamber volume.
  • the compressed air motor can also be designed as required.
  • the compressed air motor can be designed as a gas turbine.
  • the compressed air motor can also be designed as follows:
  • the pneumatic motor has a first and a second shaft, the shaft axes of which are arranged parallel to one another with a lateral offset and which rotate synchronously and at the same speed during operation, so that the two shafts roll against one another and are hermetically sealed against one another,
  • the pneumatic motor has a housing that surrounds the first shaft in a ring shape
  • the first shaft has a nose on its outside which runs around the housing in a sealing manner
  • the second shaft has a recess on its outside into which the nose of the first shaft temporarily dips when the shafts rotate and from which the nose of the first shaft later releases again,
  • a feed opening and an outlet opening are arranged in the housing, which are passed by the nose shortly after it is released from the recess or shortly before it is immersed in the recess, as seen in the direction of rotation of the first shaft, so that the nose has a the annular cavity formed by the first shaft and the surrounding housing is divided into a first and a second section, the first section extending from the angular position at which the nose of the first shaft detaches from the recess of the second shaft to the current angular position of the nose and the second section extending from the current position of the nose to the angular position at which the nose of the first shaft dips into the recess of the second shaft,
  • the supply opening is associated with a closing device, by which the supply opening is briefly opened during a period in which the nose is located shortly after the nose of the first shaft has been released from the recess of the second shaft, and then closed again, so that compressed air is temporarily supplied to the first section,
  • the outlet opening is permanently open so that the air is continuously released through the outlet opening.
  • This structure essentially corresponds to the motor part of an Astron motor.
  • a compressed air motor is designed inversely to the compressor part of an Astron motor.
  • the compressed air motor is designed as a screw motor.
  • Screw motors are well known to experts. As an example, reference can be made to the doctoral thesis "Fundamentals of the two-phase screw motor” by Bernhard Paul Kliem, Faculty of Mechanical Engineering at the University of Dortmund (Germany).
  • a screw motor is constructed inversely to a screw compressor.
  • a screw motor has two counter-rotating shafts that enclose air in a chamber between them. When the two shafts rotate, the chamber moves in the axial direction, which increases the chamber volume.
  • the system has an electric machine, which in turn has a housing in which a first and a second shaft are mounted coaxially to one another.
  • the first and the second shaft each carry an active part of the electric machine, so that an electromotive force can act between the two active parts.
  • the first shaft is connected to the compressed air motor, the second shaft to the compressors of the compressor arrangement.
  • the electric machine thus acts as an electrical differential machine.
  • This design has the particular advantage that - instead of an electric generator connected to the compressed air motor and (at least) one electric motor connected to the compressors, only a single electric machine is required, which can also be designed smaller than would be necessary with the two individual electric machines (generator and motor).
  • the latter embodiment can be further improved by the system having a further electrical machine whose stator is arranged in a rotationally fixed manner and whose rotor is connected to the compressed air motor or the compressors of the compressor arrangement. This allows the operation of the compressed air motor and the operation of the compressor arrangement to be decoupled from one another within the performance limits of the further electrical machine.
  • the system has at least one tap at which air can be extracted from the compressor arrangement, the air extracted from the compressor arrangement having an extraction pressure that is greater than the initial pressure and at most as high as the final pressure.
  • FIG 1 a main plant and a recovery facility
  • FIG 2 shows a structural design of a recovery device
  • FIG 3 a main plant and a heat exchanger
  • FIG 4 a structure for heat transfer
  • FIG 5 a control structure
  • FIG 6 a compressor arrangement, a compressed air motor and an electric machine
  • FIG 7 shows a modification of FIG 6 and FIG 8 shows a further modification of FIG 6.
  • a system for recovering energy has a main plant 1.
  • a hot exhaust gas 2 is produced.
  • the hot exhaust gas 2 flows through a discharge device 3 of the main plant 1 and is thus discharged from the main plant 1.
  • the main plant 1 is often a plant in the steel industry, for example a slab furnace or an electric steelworks.
  • the present invention is not limited to plants in the steel industry.
  • the system also has further system components by means of which the thermal energy of the hot exhaust gas 2, i.e. the waste heat of the main system 1, is to be utilized to generate mechanical energy and, based on this, electrical energy.
  • the other system components as a whole are referred to below as the recovery device 4.
  • the recovery device 4 is thermally coupled to the hot exhaust gas 2, which flows through the discharge device 3.
  • the thermal coupling is indicated in FIG. 1 by a double arrow 5.
  • the structural design of the recovery device 4 is explained in conjunction with FIG. 2.
  • the recovery device 4 has a compressor arrangement 6.
  • air 7, which is supplied to the compressor arrangement 6 with an initial temperature T 1 and an initial pressure p1 is compressed to a final pressure p2 and an intermediate temperature Tc.
  • the compressor arrangement 6 has a number of compressors 8 for this purpose.
  • the number of compressors 8 can be as required. In many cases, the number of compressors 8 is greater than 1. In this case, the compressors 8 are arranged in series, one behind the other. The number of three compressors 8 shown in FIG 2 is only an example. Due to the arrangement of the compressors 8 in series, the air 7 is compressed by the compressors 8 in several stages to the final pressure p2, starting from the initial pressure p1. According to the exemplary embodiment, the frontmost compressor 8 compresses the air 7, starting from the initial pressure p1, to the intermediate pressure pa. On the output side of this compressor 8, the air 7 has the temperature Ta. The temperature Ta is greater than the initial temperature T1. In a similar way, the middle compressor 8 compresses the air 7, starting from the intermediate pressure pa, to the intermediate pressure pb.
  • the air 7 On the output side of this compressor 8, the air 7 has the temperature Tb.
  • the last compressor 8 compresses the air 7, starting from the intermediate pressure pb, to the final pressure p2.
  • the air 7 On the output side of this compressor 8, the air 7 has the intermediate temperature Tc.
  • several pressures pa, pb arise within the chain of compressors 8.
  • the system preferably also has cooling devices 9, as shown in FIG. 2, which are arranged between two consecutive compressors 8.
  • the cooling devices 9 are used to cool the air 7, which is conveyed from the compressor 8 upstream of the respective cooling device 9 to the compressor s downstream of the respective cooling device 9. If possible, cooling takes place down to the initial temperature T 1.
  • any cooling medium can be used to cool the air 7, for example cooling water, which is used for cooling a rolling stock after passing through a rolling mill.
  • the air 7 is only cooled between the individual compressors 8.
  • No cooling device is arranged behind the compressor 8, which compresses the air 7 to the final pressure p2 and the intermediate temperature Tc. This applies regardless of whether there are several compressors 8 arranged in series as shown in FIG 2 or whether there is only a single compressor 8.
  • the system also has a heat exchanger 10.
  • the heat exchanger 10 is arranged downstream of the compressor arrangement 6.
  • the heat of the exhaust gas 2, which flows through the discharge device 3 is supplied to the air 7 flowing through the heat exchanger 10.
  • the air 7 is thereby heated to a final temperature T2.
  • the system has a compressed air motor 11.
  • the compressed air motor 11 is arranged downstream of the heat exchanger 10.
  • the compressed air motor 11 is supplied with the air 7, which is heated to the final temperature T2 at this point and still has the final pressure p2.
  • the compressed air motor 11 is thus operated with this air 7.
  • the compressed air motor 11 delivers the air 7 at a delivery temperature T3 and a delivery pressure p3.
  • Mechanical energy is initially generated by means of the compressed air motor 11.
  • the compressed air motor 11 is coupled to an electrical machine 12, which is thereby operated as a generator.
  • the electrical energy generated by the electrical machine 12 can thus be fed into an electrical network 14 - for example via a converter 13.
  • FIG 2 shows not only the minimal design of the recovery device 4 explained above, but also some designs. These designs can be implemented independently of one another.
  • One embodiment consists in the system having a compressed air reservoir 15.
  • the compressed air reservoir 15 is arranged between the heat exchanger 10 and the compressed air motor 11.
  • the air 7 heated to the final temperature T2 and having the final pressure p2 is fed to the compressed air reservoir 15.
  • a further embodiment consists in that the air 7 supplied to the compressor arrangement 6 is taken from the environment.
  • the air 7 supplied to the compressor arrangement 6 thus has the normal initial pressure p1 before being compressed in the compressor arrangement 6. 100,000 Pa and an initial temperature T1 which is the local temperature and which can vary between -20 °C and +40 °C depending on the time of day and the season.
  • a further embodiment consists in that the air 7 emitted by the compressed air motor 11 is released into the environment.
  • a further embodiment consists in the system having at least one tapping point 16.
  • Air 7 can be extracted from the compressor arrangement 6 at the tapping points 16.
  • the tapping points 16 can be designed as valves, for example.
  • the extracted air 7 has an extraction pressure that is greater than the initial pressure p1 and at most as high as the final pressure p2. According to the illustration in FIG 2, for example, air 7 with the intermediate pressure pa, air 7 with the intermediate pressure pb and air 7 with the final pressure p2 can be extracted from the compressor arrangement 6.
  • the simplest design consists in that, as shown in FIG. 3, the heat exchanger 10 is arranged in the discharge device 3, so that the exhaust gas 2 flows directly around the heat exchanger 10 and the heat of the exhaust gas 2 is thus transferred directly to the heat exchanger 10.
  • the system it is possible for the system to have a further heat exchanger 17 which is arranged in the discharge device 3 and around which the exhaust gas 2 flows.
  • the heat of the exhaust gas 2 is first transferred to an intermediate medium 18 which flows through the further heat exchanger 17.
  • the intermediate medium 18 acts on the heat exchanger 10, i.e. the heat exchanger through which the air 7 flows and by means of which the air 7 is heated.
  • the effect can be direct.
  • the intermediate medium 18 acts indirectly on the heat exchanger 10 which heats the air 7.
  • the intermediate medium 18 can be a thermal oil, for example.
  • the system has a heat accumulator 19.
  • a suitable storage medium 20 is located in the heat accumulator 19.
  • the heat exchanger 10 is arranged at least in the upper area of the heat accumulator 19. It is even better if the heat exchanger 10 extends in the vertical direction over a significant height range of the heat accumulator 19. In this case, the air 7 flows through the heat exchanger 10 and thus the heat accumulator 19 from bottom to top.
  • a heat emission device 21 is arranged at least in the lower area of the heat exchanger 19. By means of the heat emission device 21, the intermediate medium 18 introduces the heat into the heat accumulator 19 or into the storage medium 20.
  • the storage medium 20 can also be a thermal oil.
  • the heat dissipation device 21 is shown in FIG 4 as a (further) heat exchanger, so that the intermediate medium 18 is separated from the storage medium 20. If the intermediate medium 18 and the storage medium 20 are of the same type, the heat dissipation device 21 can also be designed as a simple pipe that opens into the heat accumulator 19. In this case, of course, another pipe also leads from the heat accumulator 19 back to the heat exchanger 17.
  • the air 7 heats up. This is unavoidable.
  • the compression of the air 7 is preferably carried out in stages as shown in FIG 2, with the air 7 being cooled again and again between the individual compression processes.
  • the air 7 also expands in the compressed air motor 11 and cools down in the process. This is also unavoidable. In the compressed air motor 11, an adiabatic expansion of the air 7 usually also takes place.
  • V2 denotes the volume of air 7 that is supplied to the compressed air motor 11 for a single working cycle with the final pressure p2
  • V3 denotes the volume of air 7 that is released by the compressed air motor 11 after this working cycle, i.e. after expansion
  • the air 7 is usually discharged from the compressed air motor 11 to a reservoir (which can also be the normal environment) in which the initial temperature T1 and the initial pressure p1 prevail. Ideally, the relationship should therefore be
  • the system has a control device 22 as shown in FIG. 5, by means of which the compressor arrangement 6 and/or the compressed air motor 11 are controlled in such a way that this condition is met - as far as possible - that is to say that the discharge temperature T3 and the discharge pressure p3 at least approximately match the initial pressure p1 and the initial temperature T1. This allows the efficiency to be optimized.
  • the initial temperature T 1 and the final temperature T2 and the initial pressure p1 are fed to the control device 22 as input variables. These variables must be accepted as they are.
  • the control device 22 initially controls - as far as possible - the ratio of the volumes V2 and V3 so that the ratio satisfies a predetermined condition dependent on the ratio of the temperatures T1 and T2, for example the condition according to the above equation.
  • a predetermined condition dependent on the ratio of the temperatures T1 and T2 for example the condition according to the above equation.
  • the volumes V2 and V3 of a compressed air motor 11 once built can no longer be changed.
  • Such variation of the ratio of the volumes V2 and V3 is also of considerable importance for optimum operation. If - for example - the final temperature T2 is 300 °C or 573 K and the initial temperature T1 (ie the ambient temperature) can fluctuate between -20 °C and +40 °C, the optimum ratio of the volumes V2 and V3 is between 7.72 and 4.535.
  • a separate compressed air motor 11 can be provided for four temperature ranges of 15 K each, whereby the volume ratios of the compressed air motors 11 can be (approximately) 4.83, 5.47, 6.25 and 7.19. Depending on the temperature range, it is then selected which of the compressed air motors 11 is actively operated.
  • control device 22 - if necessary after determining in which configuration the compressed air motor 11 is operated - controls the compressor arrangement 6 and/or the compressed air motor 11 such that the final pressure p2 satisfies a predetermined condition dependent on the ratio of the temperatures T1 and T2, for example the condition according to the above equation.
  • the volume flow supplied to the compressor arrangement 6 and the volume flow delivered by the compressed air motor 11 can be coordinated with one another by adjusting a speed nK of the compressor arrangement 6 and/or a speed nM of the compressed air motor 11, so that the desired final pressure p2 is set.
  • the optimal ratio of final pressure p2 to initial pressure p1 is between around 17.5 and around 8.3. Since the initial pressure p1 (i.e. the ambient air pressure) can also fluctuate slightly, the final pressure p2 should be able to be varied to an even greater extent, for example with a fluctuation of the initial pressure p1 of up to 4% up and down between 800,000 Pa and 1,820,000 Pa. The ratio between the maximum possible final pressure p2 and the minimum possible final pressure p2 is therefore just over 2.25.
  • the compressed air motor 11 is usually coupled to an electric machine 12, so that the compressed air motor 11 drives the electric machine 12 to generate electrical energy. Furthermore, electric drives are also required to drive the compressors 8.
  • the electric machine 12 has a housing 23 in which a first shaft 24 and a second shaft 25 are mounted coaxially to one another.
  • the illustration in FIG 6, according to which the second shaft 25 is supported on the first shaft 24 and is thus indirectly mounted in the housing 23, is purely exemplary.
  • the first shaft 24 and the second shaft 25 each carry an active part 26, 27 of the electrical machine 12.
  • An electromotive force can act between the two active parts 26, 27.
  • the two active parts 26, 27 thus correspond in principle to the rotor and the stator of the electrical machine 12. Due to the arrangement of the two active parts 26, 27 on the shafts 24, 25, not only the "rotor” can rotate about its axis, but also the "stator".
  • This design can be used advantageously by connecting the first shaft 24 to the compressed air motor 11 and the second shaft 25 to the compressors 8. the compressor arrangement 6. This makes it possible for the compressed air motor 11 to directly drive the compressors 8 of the compressor arrangement 6.
  • a conversion of the mechanical energy provided by the compressed air motor 11 into electrical energy and a further conversion of the electrical energy into mechanical energy for driving the compressors 8 are thus eliminated.
  • the losses associated with each conversion can also be avoided in this way. This makes it possible to increase the remaining part of mechanical energy that can be converted into electrical energy by the electrical machine 12.
  • the system therefore has a further electrical machine 28 as shown in FIGS. 7 and 8.
  • the stator is arranged in a rotationally fixed manner, as is generally customary.
  • the rotor of the further electrical machine 28 can be connected to the compressed air motor 11 (FIG. 7) or the compressors 8 of the compressor arrangement 6 (FIG. 8) as required.
  • the compressors 8 of the compressor arrangement 6 can be designed as required. It is possible that the compressors 8 are designed as gas turbines. It is usually better if the compressors 8 are designed as compressor parts of Astron engines. The structure of such compressor parts is explained in detail in the introduction to the description. It is usually even better if the compressors 8 are designed as screw compressors. Screw compressors in particular achieve very high relative efficiencies of well over 90%.
  • the compressed air motor 11 can also be designed as required.
  • the compressed air motor 11 can be designed as a gas turbine. It is usually better if the compressed air motor 11 is designed as the motor part of an Astron motor. The structure of such a motor part is explained in detail in the introduction to the description. It is usually even better if the compressed air motor 11 is designed as a screw motor. Screw motors in particular achieve very high relative efficiencies of well over 90%. The relative efficiency is defined in the same way as was previously explained for compressors 8.
  • a high relative efficiency of the compressed air motor 11 and the compressors 8 is also of great importance for the economic operation of the system.
  • T1, T2 the absolute efficiency of the Carnot cycle is just over 30%. Every percent of relative efficiency that is achieved when operating the compressors ren 8 and the operation of the compressed air motor 11 reduces the relative efficiency of the overall system by about 4% under normal temperature conditions. If - for example - under ideal, completely loss-free conditions there is a heat output of 3.84 MW and the compressed air motor 11 delivers an output of 2.83 MW and the compressors 8 require an output of 1.66 MW, the system can be used as useful output
  • the useful power is therefore reduced to around 80% of its theoretically possible maximum.
  • a relative efficiency of 90% the useful power is reduced to around 60% of its theoretically possible maximum, with a relative efficiency of 85% it is reduced to around 38.5% and with 80% it is reduced to just under 16%.
  • a relative efficiency of around 76.5% the useful power drops to 0 and then becomes negative. A high relative efficiency is therefore very important.
  • the present invention has many advantages. Firstly, the waste heat of the main system 1 can be used efficiently. Furthermore, because air 7 is used as the working medium, no special precautions are required to prevent the air 7 from escaping. This is because such an escape leads to a reduction in efficiency, but not to environmental pollution.
  • the compressors 8 and the compressed air motor 11 can be constructed simply and robustly. With a suitable design, they can work with a high relative efficiency (well over 90%).

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Abstract

Ein System zur Rückgewinnung von Energie weist eine Hauptanlage (1) auf, bei deren Betrieb ein heißes Abgas (2) entsteht Die Hauptanlage (1) weist eine Abführeinrichtung (3) auf, welche von dem Abgas (2) durchströmt wird und über welche das Abgas (2) aus der Hauptanlage (1) abgeführt wird. Das System weist eine eine Anzahl von Kompressoren (8) aufweisende Kompressoranordnung (6) auf, mittels derer der Kompressoranordnung (6) zugeführte, eine Anfangstemperatur (T1) aufweisende Luft (7) von einem Anfangsdruck (p1) auf einen Enddruck (p2) und eine Zwischentemperatur (Tc) komprimiert wird. Das System weist einen der Kompressoranordnung (6) nachgeordneten Wärmetauscher (10) auf, der von der auf den Enddruck (p2) und die Zwischentemperatur (Tc) komprimierten Luft (7) durchströmt wird und mittels dessen der den Wärmetauscher (10) durchströmenden Luft (7) die Wärme des die Abführeinrichtung (3) durchströmenden Abgases (2) zugeführt wird und so die Luft (7) auf eine Endtemperatur (T2) erwärmt wird. Das System weist einen dem Wärmetauscher (10) nachgeordneten Druckluftmotor (11) auf, dem die auf die Endtemperatur (T2) erwärmte und den Enddruck (p2) aufweisende Luft (7) zugeführt wird, der mit dieser Luft (7) betrieben wird und von dem die Luft (7) mit einer Abgabetemperatur (T3) und einem Abgabedruck (p3) abgegeben wird.

Description

Beschreibung
Bezeichnung der Erfindung
System zur Rückgewinnung von Energie
Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem System zur Rückgewinnung von Energie,
- wobei das System eine Hauptanlage aufweist, bei deren Betrieb ein heißes Abgas entsteht,
- wobei die Hauptanlage eine Abführeinrichtung aufweist, welche von dem Abgas durchströmt wird und über welche das Abgas aus der Hauptanlage abgeführt wird.
Stand der Technik
Derartige Systeme sind allgemein bekannt. Rein beispielhaft kann auf die EP 10 770 810 B1 verwiesen werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Bei vielen industriellen Prozessen fallen große Mengen an „minderwertiger“ Wärmeenergie an. Diese Energiemengen werden oftmals nicht oder nur in geringem Umfang genutzt. Die Abwärme wird vielmehr einfach in die Umwelt abgegeben oder in der kalten Jahreszeit - wenn auch meist nur zu einem kleinen Teil - beispielsweise zum Heizen von Bürogebäuden oder Wohnungen verwendet. Beispielsweise bei einem Brammenofen eines Walzwerks liegt die eingesetzte thermische Leistung oftmals in der Größenordnung von etwa 100 MW. Es wird geschätzt, dass davon etwa 70 % tatsächlich in die Brammen fließt. Der Rest bleibt - bei einer typischen Abgastemperatur von etwa 300 °C - ungenutzt. Bei anderen industriellen Anlagen, beispielsweise einem Elektrostahlwerk, fallen manchmal noch größere Mengen an Abwärme an.
In vielen industriellen Anlagen werden weiterhin oftmals größere Mengen an Druckluft benötigt. Beispielsweise werden bei einer Kühlstrecke einer Warmbandstraße oftmals die Ventile, mittels derer Kühlwasser auf das gewalzte flache Walzgut aufgebracht wird, mit Druckluft betrieben. Auch wird die Druckluft beispielsweise dazu verwendet, überschüssiges Kühlwasser von der Oberseite des gewalzten flachen Walzguts abzublasen oder einen von Messgeräten weg gerichteten Luftstrom zu erzeugen, so dass diese nicht verschmutzen. Die Druckluft wird - sowohl bei einem Stahlwerk als auch bei anderen industriellen Anlagen - mittels Kompressoren erzeugt, die mit elektrischer Energie angetrieben werden. Zur Rückgewinnung elektrischer Energie aus der Abwärme industrieller Prozesse sind im Stand der Technik viele Lösungen bekannt. Die Lösungen des Standes der Technik werden in der Praxis jedoch meist nicht eingesetzt. Insbesondere ist der Wirkungsgrad oftmals nur sehr gering und stehen die mit der Implementierung dieser Lösung verbundenen Kosten in keinem vernünftigen Verhältnis zur möglichen Rückgewinnung von Energie.
Es ist bekannt, in der Abführeinrichtung einen Wärmetauscher zu installieren, der ein Thermoöl aufheizt. Mittels des erwärmten Thermoöls wird in einem weiteren Wärmetauscher ein Kältemittel aufgeheizt, das seinerseits eine Gasturbine antreibt. Das Kältemittel kann nach Bedarf gewählt werden, je nach Temperaturniveau des Abgases. Diese Lösung des Standes der Technik erscheint noch am vielversprechendsten. Auch sie wird oftmals jedoch nicht eingesetzt, da auch sie nicht wirtschaftlich ist. Vorteilhaft bei dieser Lösung ist zwar, dass kein Dampfkreislauf installiert werden muss. Nachteilig ist jedoch, dass das Thermoöl verwendet werden muss. Ein Thermoöl wird jedoch bei Temperaturen oberhalb von ca. 300 °C chemisch zersetzt. Daher ist die Anwendung dieser Technik prinzipbedingt auf Abgase von maximal ca. 300 °C beschränkt.
Aus der DE 10 2009 030 146 A1 ist ein System bekannt, das der Gewinnung elektrischer Energie dient. Das System weist eine Kompressoranordnung auf, die eine Anzahl von Kompressoren aufweist. Mittels der Kompressoranordnung wird Luft auf einen Enddruck komprimiert. Der Enddruck kann bei einem größeren Wert von beispielsweise 300 bar liegen. Die komprimierte Luft wird mittels eines ersten Reduktionsventils auf einen deutlich niedrigeren Zwischendruck von typischerweise 40 bar bis 80 bar entspannt. Die entspannte Luft wird mittels eines dem ersten Reduktionsventil 9 nachgeordneten Wärmetauschers 10 auf die Umgebungstemperatur erwärmt und einem Zwischenspeicher zugeführt. Die dem Zwischenspeicher entnommene Luft wird mittels eines zweiten Reduktionsventils auf einen erneut deutlich niedrigeren Druck entspannt. Dieser Druck ist der Arbeitsdruck . Er kann zwischen 5 bar und 20 bar liegen. Die nochmals entspannte Luft wird mittels eines dem zweiten Reduktionsventil nachgeordneten Wärmetauschers nochmals auf die Umgebungstemperatur erwärmt. Erst danach wird die Luft in einem Wärmetauscher auf eine höhere Temperatur von ca. 300 °C erwärmt. Die thermische Energie wird dem Wärmetauscher von einer Wärmequelle zugeführt, die ein Wärmespeicher sein kann, der von einer solarthermischen Anlage gespeist wird. Die erwärmte Luft wird einem Druckluftmotor zugeführt, der einen Generator betreiben kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaffen, mittels derer die Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme des industriellen technischen Prozesses, d.h. aus der Wärme des heißen Abgases der Hauptanlage, verbessert werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein System zur Rückgewinnung von Energie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Systems sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 15. Erfindungsgemäß wird ein System zur Rückgewinnung von Energie der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,
- dass das System eine eine Anzahl von Kompressoren aufweisende Kompressoranordnung aufweist, mittels derer der Kompressoranordnung zugeführte, eine Anfangstemperatur aufweisende Luft von einem Anfangsdruck auf einen Enddruck und eine Zwischentemperatur komprimiert wird,
- dass das System einen der Kompressoranordnung nachgeordneten Wärmetauscher aufweist, der von der auf den Enddruck und die Zwischentemperatur komprimierten Luft durchströmt wird und mittels dessen der den Wärmetauscher durchströmenden Luft die Wärme des die Abführeinrichtung durchströmenden Abgases zugeführt wird und so die Luft auf eine Endtemperatur erwärmt wird, und
- dass das System einen dem Wärmetauscher nachgeordneten Druckluftmotor aufweist, dem die auf die Endtemperatur erwärmte und den Enddruck aufweisende Luft zugeführt wird, der mit dieser Luft betrieben wird und von dem die Luft mit einer Abgabetemperatur und einem Abgabedruck abgegeben wird.
Die Hauptanlage kann nach Belieben ausgebildet sein, sofern sie das heiße Abgas generiert. Oftmals ist die Hauptanlage eine Anlage der Stahlindustrie, insbesondere ein Brammenofen, ein Hochofen, ein Konverter oder ein Elektrostahlwerk. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf derartige Anlagen beschränkt.
In der Regel wird von dem Druckluftmotor ein elektrischer Generator angetrieben, mittels dessen elektrische Energie erzeugt wird. In manchen Fällen kann die von dem Druckluftmotor erzeugte mechanische Energie aber auch anderweitig verwertet werden.
Vorzugsweise ist die Anzahl an Kompressoren größer als 1 und sind die Kompressoren in Serie hintereinander angeordnet, so dass die Luft, ausgehend von dem Anfangsdruck, in mehreren Stufen auf den Enddruck komprimiert wird. In diesem Fall weist das System vorzugsweise zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Kompressoren angeordnete Kühleinrichtungen auf, mittels derer die von dem der jeweiligen Kühleinrichtung vorgeordneten Kompressor zu dem der jeweiligen Kühleinrichtung nachgeordneten Kompressor geförderte Luft gekühlt wird. Dadurch kann der zum Betreiben der Kompressoren erforderliche Energieaufwand reduziert werden, gleichzeitig die Menge an komprimierter Luft maximiert werden und weiterhin auch die Zwischentemperatur relativ gering gehalten werden. Somit kann die Wärme des heißen Abgases in weit besserem Umfang zum Aufheizen der komprimierten Luft genutzt werden. Gleichzeitig kann das Abgas in stärkerem Umfang gekühlt werden. Das Kühlen der Luft in den Kühleinrichtungen erfolgt in der Regel so weit wie möglich, nach Möglichkeit bis auf die Anfangstemperatur. Hinter dem letzten Kompressor, von dem die Luft auf den Enddruck und die Zwischentemperatur kompri- miert wird, ist jedoch keine Kühleinrichtung angeordnet. Im Falle eines einzigen Kompressors gilt dies für den einzigen Kompressor.
Es ist möglich, dass das System einen weiteren Wärmetauscher aufweist, der in der Abführeinrichtung angeordnet ist und mittels dessen die Wärme des Abgases auf ein Zwischenmedium übertragen wird, und das Zwischenmedium direkt oder indirekt auf den die Luft aufheizenden Wärmetauscher wirkt. Das Zwischenmedium kann beispielsweise ein Thermoöl sein. Die Verwendung des weiteren Wärmetauschers bietet sich insbesondere dann an, wenn das Abgas eine Temperatur von 300 °C oder weniger aufweist.
Im Falle der Verwendung des weiteren Wärmetauschers und des Zwischenmediums besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, dass das System einen Wärmespeicher aufweist, dass der Wärmetauscher zumindest im oberen Bereich des Wärmespeichers angeordnet ist und vorzugsweise die den Wärmetauscher durchströmende Luft den Wärmespeicher von unten nach oben durchströmt und dass zumindest im unteren Bereich des Wärmespeichers eine Wärmeabgabeeinrichtung angeordnet ist und vorzugsweise das Zwischenmedium den Wärmespeicher von oben nach unten durchströmt, so dass das Zwischenmedium über die Wärmeabgabeeinrichtung Wärme in den Wärmespeicher einbringt.
Aufgrund des Wärmespeichers kann insbesondere eine gewisse Pufferkapazität bereitgestellt werden, so dass trotz variierender Mengen des heißen Abgases ein gleichmäßiger Betrieb des Druckluftmotors erreicht werden kann.
Es ist möglich, dass die Wärmeabgabeeinrichtung schlichtweg ein Speiserohr ist, über das das Zwischenmedium in den Wärmespeicher eingespeist wird. In diesem Fall befindet sich im Wärmespeicher ein Teil des Zwischenmediums. Das Zwischenmedium und das Speichermedium des Wärmespeichers sind in diesem Fall ein und dasselbe Medium. Alternativ kann es sich bei der Wärmeabgabeeinrichtung um einen (weiteren) Wärmetauscher handeln, so dass das Medium des Wärmespeichers vom Zwischenmedium getrennt ist.
Alternativ ist es möglich, dass der Wärmetauscher in der Abführeinrichtung angeordnet ist, so dass die Wärme des Abgases direkt auf den Wärmetauscher übertragen wird. Diese Lösung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Abgas eine Temperatur oberhalb von 300 °C aufweist. Denn bei derartigen Temperaturen sind übliche Zwischenmedien, beispielsweise ein Thermoöl, oftmals nicht mehr stabil.
Vorzugsweise weist das System einen Druckluftspeicher auf, der zwischen dem Wärmetauscher und dem Druckluftmotor angeordnet ist. Dadurch kann - innerhalb der Kapazität des Druckluftspeichers - Druckluft auf Vorrat erzeugt und gespeichert werden. Der Betrieb des Druckluftmotors kann somit vergleichmäßigt werden. In einer besonders einfachen Ausgestaltung wird die der Kompressoranordnung zugeführte Luft der Umgebung entnommen. Dadurch ist eingangsseitig der Kompressoranordnung kein Druckluftspeicher erforderlich. Auch ist keine Vorkomprimierung der Luft erforderlich. Es kann jedoch erforderlich sein, die Luft vor dem Zuführen zu der Kompressoranordnung zu reinigen. In analoger Weise wird in einer besonders einfachen Ausgestaltung auch die von dem Druckluftmotor abgegebene Luft in die Umgebung abgegeben.
Vorzugsweise weist das System eine Regeleinrichtung auf, mittels derer die Kompressoranordnung und/oder der Druckluftmotor derart geregelt werden, dass die Abgabetemperatur und der Abgabedruck zumindest näherungsweise mit dem Anfangsdruck und der Anfangstemperatur übereinstimmen. Dadurch kann der resultierende Wirkungsgrad der Gesamtanordnung optimiert werden.
Die Kompressoren der Kompressoranordnung können nach Bedarf ausgebildet sein. In manchen Fällen kann es möglich sein, dass die Kompressoranordnung als Kompressoren Gasturbinen aufweist. Oftmals sind jedoch andere Ausgestaltungen vorteilhafter.
Beispielsweise können die Kompressoren jeweils wie folgt ausgebildet sein:
- die Kompressoren weisen eine erste und eine zweite Welle auf, deren Wellenachsen mit einem seitlichen Versatz parallel zueinander angeordnet sind und die im Betrieb synchron und mit gleicher Drehzahl rotieren, so dass die beiden Wellen aneinander abrollen und gegeneinander luftdicht abgedichtet sind,
- die Kompressoren weisen ein Gehäuse auf, das die erste Welle ringförmig umgibt,
- die erste Welle weist auf ihrer Außenseite eine Nase auf, die abdichtend an dem Gehäuse umläuft,
- die zweite Welle weist auf ihrer Außenseite eine Ausnehmung auf, in welche die Nase der ersten Welle beim Rotieren der Wellen temporär eintaucht und aus dem die Nase der ersten Welle sich später wieder löst,
- in dem Gehäuse sind eine Zuführöffnung und eine Auslassöffnung angeordnet, die in Drehrichtung der ersten Welle gesehen von der Nase kurz nach dem Lösen aus der Ausnehmung bzw. kurz vor dem Eintauchen in die Ausnehmung passiert werden, so dass die Nase einen von der ersten Welle und dem umgebenden Gehäuse gebildeten jeweiligen Hohlraum in einen ersten und in einen zweiten Abschnitt unterteilt, wobei der erste Abschnitt sich von der Winkelposition, an der die Nase der ersten Welle sich von der Ausnehmung der zweiten Welle löst, bis zur momentanen Winkelposition der Nase erstreckt und der zweite Abschnitt sich von der momentanen Position der Nase bis zu der Winkelposition erstreckt, an der die Nase der ersten Welle in die Ausnehmung der zweiten Welle eintaucht,
- die Einlassöffnung ist permanent geöffnet, so dass dem ersten Abschnitt kontinuierlich Luft zugeführt wird, - über die Auslassöffnung wird die komprimierte Luft abgegeben,
- der Auslassöffnung ist eine Schließvorrichtung zugeordnet, von der die Auslassöffnung während einer Zeitspanne, in der sich die Nase kurz vor dem Eintauchen der Nase der ersten Welle in die Ausnehmung der zweiten Welle befindet, kurzzeitig geöffnet und danach wieder geschlossen wird.
Das Öffnen und Schließen der Auslassöffnung kann durch die Formgebung der ersten und der zweiten Welle erreicht werden. Solange die Auslassöffnung geöffnet ist, kann die komprimierte Luft dem jeweiligen Kompressor entnommen werden.
Eine derartige Ausgestaltung eines Kompressors ist an sich bekannt. Insbesondere sind die Verdichterteile eines Astronmotors derart ausgebildet. Astronmotoren sind ausführlich beispielsweise in der US 2021/0 040885 A1 , der US 10 844 782 B1 , der US 2022/0 056 802 A1 und der US 2023/0 092 617 A1 beschrieben.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Kompressoren als Schraubenverdichter ausgebildet sind. Schraubenverdichter sind Fachleuten allgemein bekannt. Rein beispielhaft kann auf den Eintrag „Zahnradpumpe“ und den dortigen Abschnitt „Schraubenpumpe“ in der deutschen Wikipedia, abgerufen am 05.05.2023, verwiesen werden. Schraubenverdichter sind auch käuflich am Markt erhältlich. Typischerweise weist ein Schraubenverdichter zwei gegenläufig rotierende Wellen auf, die zwischen sich Luft in einer Kammer einschließen. Die Kammer bewegt sich bei Drehung der beiden Wellen in Axialrichtung, wobei eine Verringerung des Kammervolumens auftritt.
Auch der Druckluftmotor kann nach Bedarf ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Druckluftmotor als Gasturbine ausgebildet sein. Ebenso kann der Druckluftmotor wie folgt ausgebildet sein:
- der Druckluftmotor weist eine erste und eine zweite Welle auf, deren Wellenachsen mit einem seitlichen Versatz parallel zueinander angeordnet sind und die im Betrieb synchron und mit gleicher Drehzahl rotieren, so dass die beiden Wellen aneinander abrollen und gegeneinander luftdicht abgedichtet sind,
- der Druckluftmotor weist ein Gehäuse auf, das die erste Welle ringförmig umgibt,
- die erste Welle weist auf ihrer Außenseite eine Nase auf, die abdichtend an dem Gehäuse umläuft,
- die zweite Welle weist auf ihrer Außenseite eine Ausnehmung auf, in welche die Nase der ersten Welle beim Rotieren der Wellen temporär eintaucht und aus dem die Nase der ersten Welle sich später wieder löst,
- in dem Gehäuse sind eine Zuführöffnung und eine Auslassöffnung angeordnet, die in Drehrichtung der ersten Welle gesehen von der Nase kurz nach dem Lösen aus der Ausnehmung bzw. kurz vor dem Eintauchen in die Ausnehmung passiert werden, so dass die Nase einen von der ersten Welle und dem umgebenden Gehäuse gebildeten ringförmigen Hohlraum in einen ersten und in einen zweiten Abschnitt unterteilt, wobei der erste Abschnitt sich von der Winkelposition, an der die Nase der ersten Welle sich von der Ausnehmung der zweiten Welle löst, bis zur momentanen Winkelposition der Nase erstreckt und der zweite Abschnitt sich von der momentanen Position der Nase bis zu der Winkelposition erstreckt, an der die Nase der ersten Welle in die Ausnehmung der zweiten Welle eintaucht,
- der Zuführöffnung ist eine Schließvorrichtung zugeordnet, von der die Zuführöffnung während einer Zeitspanne, in der sich die Nase kurz nach dem Lösen der Nase der ersten Welle aus der Ausnehmung der zweiten Welle befindet, kurzzeitig geöffnet und danach wieder geschlossen wird, so dass dem ersten Abschnitt temporär komprimierte Luft zugeführt wird,
- die Auslassöffnung ist permanent geöffnet, so dass die Luft über die Auslassöffnung kontinuierlich abgegeben wird.
Dieser Aufbau entspricht im Kern dem Motorteil eines Astronmotors. Ein derartiger Druckluftmotor ist im Prinzip invers zum Verdichterteil eines Astronmotors ausgebildet.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Druckluftmotor als Schraubenmotor ausgebildet ist. Schraubenmotoren sind Fachleuten allgemein bekannt. Rein beispielhaft kann auf die Doktorarbeit „Grundlagen des Zweiphasen-Schraubenmotors“ von Bernhard Paul Kliem, Fakultät Maschinenbau der Universität Dortmund (Deutschland) verwiesen werden. Prinzipiell ist ein Schraubenmotor invers zu einem Schraubenverdichter aufgebaut. Typischerweise weist ein Schraubenmotor zwei gegenläufig rotierende Wellen auf, die zwischen sich Luft in einer Kammer einschließen. Die Kammer bewegt sich bei Drehung der beiden Wellen in Axialrichtung, wobei eine Vergrößerung des Kammervolumens auftritt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Systems weist das System eine elektrische Maschine auf, die ihrerseits ein Gehäuse aufweist, in dem koaxial zueinander eine erste und eine zweite Welle gelagert sind. Die erste und die zweite Welle tragen bei dieser Ausgestaltung jeweils ein Aktivteil der elektrischen Maschine, so dass zwischen den beiden Aktivteilen eine elektromotorische Kraft wirken kann. Die erste Welle ist bei dieser Ausgestaltung mit dem Druckluftmotor verbunden, die zweite Welle mit den Kompressoren der Kompressoranordnung. Die elektrische Maschine wirkt somit als elektrische Differenzmaschine.
Diese Ausgestaltung weist den besonderen Vorteil auf, dass - anstelle eines mit dem Druckluftmotor verbundenen elektrischen Generators und (mindestens) eines mit den Kompressoren verbundenen Elektromotors nur eine einzige elektrische Maschine erforderlich ist, die darüber hinaus kleiner ausgelegt werden kann als dies bei den beiden einzelnen elektrischen Maschinen (Generator und Motor) erforderlich wäre. Die letztgenannte Ausgestaltung kann dadurch noch weiter verbessert werden, dass das System eine weitere elektrische Maschine aufweist, deren Stator drehtest angeordnet ist und deren Rotor mit dem Druckluftmotor oder den Kompressoren der Kompressoranordnung verbunden ist. Dadurch können der Betrieb des Druckluftmotors und der Betrieb der Kompressoranordnung innerhalb der Leistungsgrenzen der weiteren elektrischen Maschine voneinander entkoppelt werden. Die weitere elektrische Maschine kann oftmals erheblich kleiner als die erstgenannte elektrische Maschine dimensioniert werden, beispielsweise um eine Größenordnung (= Faktor 10) kleiner.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung weist das System mindestens eine Zapfstelle auf, an welcher der Kompressoranordnung Luft entnommen werden kann, wobei die der Kompressoranordnung entnommene Luft einen Entnahmedruck aufweist, der größer als der Anfangsdruck und maximal so groß wie der Enddruck ist. Dadurch ist eine eigenständige Generierung von Druckluft für die Hauptanlage nicht erforderlich. Gegebenenfalls kann auch ein bestehendes Druckluftsystem der Hauptanlage so umgebaut und nachgerüstet werden, dass es ein erfindungsgemäßes System bildet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Dabei zeigen:
FIG 1 eine Hauptanlage und eine Rückgewinnungseinrichtung,
FIG 2 einen strukturellen Aufbau einer Rückgewinnungseinrichtung,
FIG 3 eine Hauptanlage und einen Wärmetauscher,
FIG 4 eine Struktur zur Wärmeübertragung,
FIG 5 eine Regelstruktur,
FIG 6 eine Kompressoranordnung, einen Druckluftmotor und eine elektrische Maschine,
FIG 7 eine Abwandlung von FIG 6 und FIG 8 eine weitere Abwandlung von FIG 6.
Beschreibung der Ausführungsformen
Gemäß FIG 1 weist ein System zur Rückgewinnung von Energie eine Hauptanlage 1 auf. Beim Betrieb der Hauptanlage 1 entsteht ein heißes Abgas 2. Das heiße Abgas 2 durchströmt eine Abführeinrichtung 3 der Hauptanlage 1 und wird so aus der Hauptanlage 1 abgeführt. Die Hauptanlage 1 ist oftmals eine Anlage der Stahlindustrie, beispielsweise ein Brammenofen oder ein Elektrostahlwerk. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf Anlagen der Stahlindustrie beschränkt.
Das System weist weiterhin weitere Anlagenkomponenten auf, mittels derer die thermische Energie des heißen Abgases 2, also die Abwärme der Hauptanlage 1 , zur Erzeugung zunächst von mechanischer und in der Regel hierauf aufbauend von elektrischer Energie verwertet werden soll. Die weiteren Anlagenkomponenten in ihrer Gesamtheit werden nachstehend als Rückgewinnungseinrichtung 4 bezeichnet. Die Rückgewinnungseinrichtung 4 ist an das heiße Abgas 2, das die Abführeinrichtung 3 durchströmt, thermisch angekoppelt. Die thermische Ankopplung ist in FIG 1 durch einen Doppelpfeil 5 angedeutet. Der strukturelle Aufbau der Rückgewinnungseinrichtung 4 wird in Verbindung mit FIG 2 erläutert.
Gemäß FIG 2 weist die Rückgewinnungseinrichtung 4 eine Kompressoranordnung 6 auf. Mittels der Kompressoranordnung 6 wird Luft 7, die der Kompressoranordnung 6 mit einer Anfangstemperatur T 1 und einem Anfangsdruck p1 zugeführt wird, auf einen Enddruck p2 und eine Zwischentemperatur Tc komprimiert. Die Kompressoranordnung 6 weist zu diesem Zweck eine Anzahl von Kompressoren 8 auf.
Die Anzahl an Kompressoren 8 kann nach Bedarf sein. In vielen Fällen ist die Anzahl an Kompressoren 8 größer als 1. In diesem Fall sind die Kompressoren 8 in Serie hintereinander angeordnet. Die in FIG 2 dargestellte Anzahl von drei Kompressoren 8 ist nur beispielhaft. Aufgrund der Anordnung der Kompressoren 8 in Serie wird die Luft 7 mittels der Kompressoren 8, ausgehend von dem Anfangsdruck p1 , in mehreren Stufen auf den Enddruck p2 komprimiert. Gemäß dem Ausführungsbeispiel komprimiert der vorderste Kompressor 8 die Luft 7 ausgehend vom Anfangsdruck p1, auf den Zwischendruck pa. Ausgangsseitig dieses Kompressors 8 weist die Luft 7 die Temperatur Ta auf. Die Temperatur Ta ist größer als die Anfangstemperatur T1. In analoger Weise komprimiert der mittlere Kompressor 8 die Luft 7, ausgehend vom Zwischendruck pa, auf den Zwischendruck pb. Ausgangsseitig dieses Kompressors 8 weist die Luft 7 die Temperatur Tb auf. In analoger Weise komprimiert der letzte Kompressor 8 die Luft 7, ausgehend vom Zwischendruck pb, auf den Enddruck p2. Ausgangsseitig dieses Kompressors 8 weist die Luft 7 die Zwischentemperatur Tc auf. Somit entstehen innerhalb der Kette von Kompressoren 8 mehrere Drücke pa, pb.
Im Falle mehrerer Kompressoren 8 weist das System entsprechend der Darstellung in FIG 2 vorzugsweise weiterhin Kühleinrichtungen 9 auf, die zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Kompressoren 8 angeordnet sind. Mittels der Kühleinrichtungen 9 wird die Luft 7 gekühlt, die von dem der jeweiligen Kühleinrichtung 9 vorgeordneten Kompressor 8 zu dem der jeweiligen Kühleinrichtung 9 nachgeordneten Kompressor s gefördert wird. Nach Möglichkeit erfolgt ein Abkühlen jeweils bis auf die Anfangstemperatur T 1. Zum Kühlen der Luft 7 kann ein nahezu beliebiges Kühlmedium dienen, beispielsweise Kühlwasser, das für die Kühlung eines Walzguts nach dem Durchlaufen einer Walzstraße verwendet wird. Das Kühlen der Luft 7 erfolgt jedoch nur zwischen den einzelnen Kompressoren 8. Hinter dem Kompressor 8, von dem die Luft 7 auf den Enddruck p2 und die Zwischentemperatur Tc komprimiert wird, ist keine Kühleinrichtung angeordnet. Dies gilt unabhängig davon, ob entsprechend der Darstellung in FIG 2 mehrere in Reihe angeordnete Kompressoren 8 vorhanden sind oder ob nur ein einziger Kompressor 8 vorhanden ist.
Das System weist weiterhin einen Wärmetauscher 10 auf. Der Wärmetauscher 10 ist der Kompressoranordnung 6 nachgeordnet. Der Wärmetauscher 10 wird von der Luft 7, die bereits den Enddruck p2, aber noch die Zwischentemperatur Tc aufweist, durchströmt. Mittels des Wärmetauschers 10 wird der den Wärmetauscher 10 durchströmenden Luft 7 die Wärme des Abgases 2 zugeführt, das die Abführeinrichtung 3 durchströmt. Dadurch wird die Luft 7 auf eine Endtemperatur T2 erwärmt.
Schließlich weist das System einen Druckluftmotor 11 auf. Der Druckluftmotor 11 ist dem Wärmetauscher 10 nachgeordnet. Dem Druckluftmotor 11 wird die Luft 7 zugeführt, die zu diesem Zeitpunkt auf die Endtemperatur T2 erwärmt ist und weiterhin den Enddruck p2 aufweist. Somit wird der Druckluftmotor 11 mit dieser Luft 7 betrieben. Von dem Druckluftmotor 11 wird die Luft 7 mit einer Abgabetemperatur T3 und einem Abgabedruck p3 abgegeben.
Mittels des Druckluftmotors 11 wird zunächst mechanische Energie erzeugt. In vielen Fällen ist der Druckluftmotor 11 jedoch mit einer elektrischen Maschine 12 gekuppelt, die dadurch gene- ratorisch betrieben wird. Die von der elektrischen Maschine 12 erzeugte elektrische Energie kann somit - beispielsweise über einen Umrichter 13 - in ein elektrisches Netz 14 eingespeist werden.
FIG 2 zeigt nicht nur die vorstehend erläuterte minimale Ausgestaltung der Rückgewinnungseinrichtung 4, sondern zugleich auch einige Ausgestaltungen. Diese Ausgestaltungen sind unabhängig voneinander realisierbar.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass das System einen Druckluftspeicher 15 aufweist. Der Druckluftspeicher 15 ist zwischen dem Wärmetauscher 10 und dem Druckluftmotor 11 angeordnet. Dem Druckluftspeicher 15 wird die auf die Endtemperatur T2 erwärmte und den Enddruck p2 aufweisende Luft 7 zugeführt. Von dem Druckluftspeicher 15 aus wird die auf die Endtemperatur T2 erwärmte und den Enddruck p2 aufweisende Luft 7 dem Druckluftmotor 11 zugeführt.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass die der Kompressoranordnung 6 zugeführte Luft 7 der Umgebung entnommen wird. Die der Kompressoranordnung 6 zugeführte Luft 7 weist somit vor dem Komprimieren in der Kompressoranordnung 6 als Anfangsdruck p1 den norma- len Luftdruck von ca. 100.000 Pa und als Anfangstemperatur T1 eine ortsübliche Temperatur auf, die je nach Tageszeit und Jahreszeit beispielsweise zwischen -20 °C und +40 °C variieren kann.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass die von dem Druckluftmotor 11 abgegebene Luft 7 in die Umgebung abgegeben wird.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass das System mindestens eine Zapfstelle 16 aufweist. An den Zapfstellen 16 kann der Kompressoranordnung 6 Luft 7 entnommen werden. Die Zapfstellen 16 können beispielsweise als Ventile ausgebildet sein. Die entnommene Luft 7 weist einen Entnahmedruck auf, der größer als der Anfangsdruck p1 und maximal so groß wie der Enddruck p2 ist. Entsprechend der Darstellung in FIG 2 kann der Kompressoranordnung 6 beispielsweise Luft 7 mit dem Zwischendruck pa, Luft 7 mit dem Zwischendruck pb und Luft 7 mit dem Enddruck p2 entnommen werden.
Zum Zuführen der Wärme des Abgases 2 zur Luft 7 sind verschiedene Ausgestaltungen möglich. Die einfachste Ausgestaltung besteht darin, dass entsprechend der Darstellung in FIG 3 der Wärmetauscher 10 in der Abführeinrichtung 3 angeordnet ist, so dass der Wärmetauscher 10 direkt von dem Abgas 2 umströmt wird und somit die Wärme des Abgases 2 direkt auf den Wärmetauscher 10 übertragen wird.
Alternativ ist es entsprechend der Darstellung in FIG 4 möglich, dass das System einen weiteren Wärmetauscher 17 aufweist, der in der Abführeinrichtung 3 angeordnet ist und von dem Abgas 2 umströmt wird. In diesem Fall wird die Wärme des Abgases 2 zunächst auf ein Zwischenmedium 18 übertragen, das den weiteren Wärmetauscher 17 durchströmt. In diesem Fall wirkt das Zwischenmedium 18 auf den Wärmetauscher 10, also denjenigen Wärmetauscher, der von der Luft 7 durchströmt wird und mittels dessen die Luft 7 aufgeheizt wird. Die Wirkung kann direkt sein. Dies ist in FIG 4 nicht dargestellt. Dargestellt ist hingegen eine vorteilhafte Ausgestaltung, bei welcher das Zwischenmedium 18 indirekt auf den die Luft 7 aufheizenden Wärmetauscher 10 wirkt. Das Zwischenmedium 18 kann beispielsweise ein Thermoöl sein.
Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung weist das System einen Wärmespeicher 19 auf. In dem Wärmespeicher 19 befindet sich ein geeignetes Speichermedium 20. In diesem Fall ist der Wärmetauscher 10 zumindest im oberen Bereich des Wärmespeichers 19 angeordnet. Noch besser ist es, wenn der Wärmetauscher 10 sich in Höhenrichtung über einen nennenswerten Höhenbereich des Wärmespeichers 19 erstreckt. In diesem Fall durchströmt die Luft 7 den Wärmetauscher 10 und damit den Wärmespeicher 19 von unten nach oben. Weiterhin ist zumindest im unteren Bereich des Wärmetauschers 19 eine Wärmeabgabeeinrichtung 21 angeordnet. Mittels der Wärmeabgabeeinrichtung 21 bringt das Zwischenmedium 18 die Wärme in den Wärmespeicher 19 bzw. in das Speichermedium 20 ein. Noch besser ist es, wenn die Wärmeabgabeeinrichtung 21 sich in Höhenrichtung über einen nennenswerten Höhenbereich des Wärmespeichers 19 erstreckt. In diesem Fall durchströmt das Zwischenmedium 18 die Wärmeabgabeeinrichtung 21 und damit den Wärmespeicher 19 von oben nach unten. Auch das Speichermedium 20 kann ein Thermoöl sein.
Die Wärmeabgabeeinrichtung 21 ist in FIG 4 als (weiterer) Wärmetauscher dargestellt, so dass das Zwischenmedium 18 von dem Speichermedium 20 getrennt ist. Sofern das Zwischenmedium 18 und das Speichermedium 20 gleichartig sind, kann die Wärmeabgabeeinrichtung 21 jedoch auch als einfaches Rohr ausgebildet sein, das im Wärmespeicher 19 mündet. In diesem Fall führt - selbstverständlich - ein weiteres Rohr auch wieder vom Wärmespeicher 19 zurück zu dem Wärmetauscher 17.
Während der Komprimierungsvorgänge in den Kompressoren 8 der Kompressoranordnung 6 erwärmt sich die Luft 7. Dies ist unvermeidlich. Zur Minimierung der zum Komprimieren der Luft 7 erforderlichen mechanischen Energie (und damit im Regelfall auch elektrischen Energie) erfolgt das Komprimieren der Luft 7 jedoch entsprechend der Darstellung in FIG 2 vorzugsweise stufenweise, wobei die Luft 7 zwischen den einzelnen Komprimierungsvorgängen immer wieder abgekühlt wird. Weiterhin dehnt sich die Luft 7 im Druckluftmotor 11 aus und kühlt dabei ab. Auch dies ist unvermeidlich. Im Druckluftmotor 11 erfolgt weiterhin in der Regel eine adiabatische Expandierung der Luft 7. Wenn mit V2 das Volumen an Luft 7 bezeichnet wird, das dem Druckluftmotor 11 für einen einzelnen Arbeitszyklus mit dem Enddruck p2 zugeführt wird, und mit V3 das Volumen an Luft 7 bezeichnet wird, das von dem Druckluftmotor 11 nach diesem Arbeitszyklus, also nach dem Expandieren, abgegeben wird, gilt in sehr guter Näherung die Beziehung
(K2/K3)1’4 = (Z3 /Z2)3’5 = p3 lp2. (1)
Die Luft 7 wird von dem Druckluftmotor 11 in aller Regel an ein Reservoir (das kann auch die normale Umgebung sein) abgegeben, in welcher die Anfangstemperatur T1 und der Anfangsdruck p1 herrschen. Im Idealfall sollte daher die Beziehung
(K2/K3)1’4 = (7T/Z2)3’5 = pH p2 . (2) erfüllt werden. Anders ausgedrückt: Im Idealfall stimmen die Abgabetemperatur T3 und der Abgabedruck p3 zumindest näherungsweise mit dem Anfangsdruck p1 und der Anfangstemperatur T1 überein: p3 = pl und T3 = TI . (3) Im Idealfall sind die Betriebsweise der Kompressoranordnung 6 und die Betriebsweise des Druckluftmotors 11 somit derart aufeinander abgestimmt, dass die Luft 7 zu dem Zeitpunkt, zu dem sie aus dem Druckluftmotor 11 austritt, genau auf den Druck und die Temperatur zurückgeführt sind, mit dem der Kreislauf geschlossen wird, also auf den Anfangsdruck p1 und die Anfangstemperatur T 1. Der vorstehend erwähnte Zeitpunkt ist derjenige Zeitpunkt, zu dem der Übergang von der Expandierung der im Druckluftmotor 11 befindlichen Luft 7 zum Abgeben der im Druckluftmotor 11 befindlichen Luft 7 erfolgt.
Vorzugsweise weist das System entsprechend der Darstellung in FIG 5 eine Regeleinrichtung 22 auf, mittels derer die Kompressoranordnung 6 und/oder der Druckluftmotor 11 derart geregelt werden, dass diese Bedingung - im Rahmen des möglichen - erfüllt ist, dass also die Abgabetemperatur T3 und der Abgabedruck p3 zumindest näherungsweise mit dem Anfangsdruck p1 und der Anfangstemperatur T1 übereinstimmen. Dadurch kann der Wirkungsgrad optimiert werden.
Der Regeleinrichtung 22 werden gemäß FIG 5 als Eingangsgrößen die Anfangstemperatur T 1 und die Endtemperatur T2 und der Anfangsdruck p1 zugeführt. Denn diese Größen müssen so hingenommen werden, wie sie sind.
Die Regeleinrichtung 22 steuert - soweit möglich - zunächst das Verhältnis der Volumina V2 und V3, so dass das Verhältnis eine vorbestimmte, vom Verhältnis der Temperaturen T 1 und T2 abhängige Bedingung erfüllt, beispielsweise die Bedingung gemäß obiger Gleichung. Nun können zwar die Volumina V2 und V3 eines einmal gebauten Druckluftmotors 11 nicht mehr verändert werden. Es ist aber möglich, beispielsweise mehrere Druckluftmotoren 11, bei denen sich die Verhältnisse der Volumina V2 und V3 jeweils voneinander unterscheiden, parallel anzuordnen und über die Ansteuerung von vorgeordneten Ventilen festzulegen, welcher der Druckluftmotoren 11 aktiv ist. In analoger Weise kann es auch möglich sein, mehrere Druckluftmotoren 11 in Serie hintereinander anzuordnen und die Möglichkeit vorzusehen, einen oder mehrere der Druckluftmotoren 11 aus der Serie auszukoppeln (zu überbrücken), um das (resultierende) Verhältnis der Volumina V2 und V3 zu optimieren.
Ein derartiges Variieren des Verhältnisses der Volumina V2 und V3 ist auch von erheblicher Bedeutung für einen optimalen Betrieb. Wenn - beispielsweise - die Endtemperatur T2 bei 300 °C bzw. 573 K liegt und die Anfangstemperatur T1 (d.h. die Umgebungstemperatur) zwischen -20 °C und +40 °C schwanken kann, so liegt das optimale Verhältnis der Volumina V2 und V3 zwischen 7,72 und 4,535. In einem derartigen Fall kann beispielsweise für vier Temperaturbereiche von jeweils 15 K jeweils ein eigener Druckluftmotor 11 bereitgestellt werden, wobei die Volumenverhältnisse der Druckluftmotoren 11 bei (etwa) 4,83, 5,47, 6,25 und 7,19 liegen können. Je nach Temperaturbereich wird dann ausgewählt, welcher der Druckluftmotoren 11 aktiv betrieben wird. Weiterhin steuert die Regeleinrichtung 22 - gegebenenfalls nach der Festlegung, in welcher Konfiguration der Druckluftmotor 11 betrieben wird - die Kompressoranordnung 6 und/oder den Druckluftmotor 11 derart, dass der Enddruck p2 eine vorbestimmte, vom Verhältnis der Temperaturen T1 und T2 abhängige Bedingung erfüllt, beispielsweise die Bedingung gemäß obiger Gleichung. Beispielsweise können - bezogen auf den Anfangsdruck p1 - der der Kompressoranordnung 6 zugeführte Volumenstrom und der von dem Druckluftmotor 11 abgegebene Volumenstrom durch Anpassung einer Drehzahl nK der Kompressoranordnung 6 und/oder einer Drehzahl nM des Druckluftmotors 11 aufeinander abgestimmt werden, so dass der gewünschte Enddruck p2 eingestellt wird.
Unter Zugrundelegung der gleichen Endtemperatur T2 (300 °C) und der möglichen Anfangstemperatur T 1 liegt das optimale Verhältnis von Enddruck p2 zu Anfangsdruck p1 zwischen rund 17,5 und rund 8,3. Da weiterhin auch der Anfangsdruck p1 (d.h. der Luftdruck in der Umgebung) etwas schwanken kann, sollte der Enddruck p2 in noch etwas stärkerem Umfang variiert werden können, beispielsweise bei einer Schwankung des Anfangsdruckes p1 um bis zu 4 % nach oben und unten zwischen 800.000 Pa und 1.820.000 Pa. Das Verhältnis zwischen dem maximal möglichen Enddruck p2 und dem minimal möglichen Enddruck p2 liegt somit bei etwas über 2,25. Alternativ wäre es auch möglich, zwar stets einen relativ hohen Enddruck p2 von beispielsweise 1.820.000 Pa zu generieren, die Luft 7 aber ausgangsseitig des Druckluftmotors 11 gegebenenfalls nicht in die Umgebung, sondern an einen Ort innerhalb der Kompressoranordnung 6 zurückzuspeisen, beispielsweise zwischen den ersten und den mittleren der Kompressoren 8 der Kompressoranordnung 6 von FIG 2.
Wie bereits erwähnt und auch in FIG 6 dargestellt, ist der Druckluftmotor 11 meist mit einer elektrischen Maschine 12 gekuppelt, so dass der Druckluftmotor 11 die elektrische Maschine 12 zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt. Weiterhin werden auch zum Antreiben der Kompressoren 8 elektrische Antriebe benötigt. Dies kann in vorteilhafter Weise gemäß der Darstellung in FIG 6 dadurch erreicht werden, dass die elektrische Maschine 12 ein Gehäuse 23 aufweist, in dem koaxial zueinander eine erste Welle 24 und eine zweite Welle 25 gelagert sind. Die Darstellung in FIG 6, gemäß der die zweite Welle 25 sich an der ersten Welle 24 abstützt und somit indirekt im Gehäuse 23 gelagert ist, ist nur rein beispielhaft.
Die erste Welle 24 und die zweite Welle 25 tragen jeweils ein Aktivteil 26, 27 der elektrischen Maschine 12. Zwischen den beiden Aktivteilen 26, 27 kann eine elektromotorische Kraft wirken. Die beiden Aktivteile 26, 27 entsprechen somit vom Ansatz her dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine 12. Aufgrund der Anordnung beider Aktivteile 26, 27 auf den Wellen 24, 25 kann sich jedoch nicht nur der „Rotor“ um seine Achse drehen, sondern auch der „Stator“. Diese Ausgestaltung kann in vorteilhafter Weise dadurch genutzt werden, dass die erste Welle 24 mit dem Druckluftmotor 11 verbunden ist und die zweite Welle 25 mit den Kompressoren 8 der Kompressoranordnung 6 verbunden ist. Dadurch kann erreicht werden, dass der Druckluftmotor 11 direkt die Kompressoren 8 der Kompressoranordnung 6 antreibt. Eine Wandlung der von dem Druckluftmotor 11 bereitgestellten mechanischen Energie in elektrische Energie und eine weitere Wandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie zum Antreiben der Kompressoren 8 entfällt somit. Auch die mit jeder Wandlung verbundenen Verluste können so vermieden werden. Dadurch kann der verbleibende Teil an mechanischer Energie, der von der elektrischen Maschine 12 in elektrische Energie gewandelt werden kann, vergrößert werden.
Würde die Anordnung, so wie in FIG 6 dargestellt, keine weitere elektrische Maschine aufweisen, so wäre ein entkoppelter Betrieb der Kompressoranordnung 6 und des Druckluftmotors 11 nicht möglich. Um einen derartigen entkoppelten Betrieb erreichen zu können, weist das System daher gemäß den Darstellungen der FIG 7 und 8 eine weitere elektrische Maschine 28 auf. Bei dieser elektrischen Maschine 28 ist, wie allgemein üblich, der Stator drehfest angeordnet. Der Rotor der weiteren elektrischen Maschine 28 kann nach Bedarf mit dem Druckluftmotor 11 (FIG 7) oder den Kompressoren 8 der Kompressoranordnung 6 (FIG 8) verbunden sein.
Die Kompressoren 8 der Kompressoranordnung 6 können nach Bedarf ausgebildet sein. Es ist möglich, dass die Kompressoren 8 als Gasturbinen ausgebildet sind. Besser ist es meist, wenn die Kompressoren 8 als Verdichterteile von Astronmotoren ausgebildet sind. Der Aufbau derartiger Verdichterteile ist in der Beschreibungseinleitung ausführlich erläutert. Noch besser ist es meist, wenn die Kompressoren 8 als Schraubenverdichter ausgebildet sind. Insbesondere Schraubenverdichter erreichen sehr hohe relative Wirkungsgrade von weit über 90 %. Der relative Wirkungsgrad ist definiert als der Quotient zwischen dem tatsächlichen Wirkungsgrad und dem theoretisch möglichen Wirkungsgrad. Wenn - beispielsweise - bei gegebenen Temperaturverhältnissen eine Berechnung gemäß dem Carnotschen Kreisprozess einen Wirkungsgrad von 32 % ergibt und die tatsächliche Maschine einen Wirkungsgrad von 24 % aufweist, beträgt der relative Wirkungsgrad 24 %/32 % = 75 %.
Analog zu den Kompressoren 8 kann auch der Druckluftmotor 11 nach Bedarf ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Druckluftmotor 11 als Gasturbine ausgebildet sein. Besser ist es meist, wenn der Druckluftmotor 11 als Motorteil eines Astronmotors ausgebildet ist. Der Aufbau eines derartigen Motorteils ist in der Beschreibungseinleitung ausführlich erläutert. Noch besser ist es meist, wenn der Druckluftmotor 11 als Schraubenmotor ausgebildet ist. Insbesondere Schraubenmotoren erreichen sehr hohe relative Wirkungsgrade von weit über 90 %. Der relative Wirkungsgrad ist auf die gleiche Art definiert, wie dies zuvor für Kompressoren 8 erläutert wurde.
Ein hoher relativer Wirkungsgrad des Druckluftmotors 11 und der Kompressoren 8 ist für einen wirtschaftlichen Betrieb des Systems auch von großer Bedeutung. Denn bei üblichen Anfangsund Endtemperaturen T1, T2 liegt der absolute Wirkungsgrad des Carnotschen Kreisprozesses bei etwas über 30 %. Jedes Prozent relativer Wirkungsgrad, das beim Betrieb der Kompresso- ren 8 und beim Betrieb des Druckluftmotors 11 verloren geht, verringert bei üblichen Temperaturverhältnissen den relativen Wirkungsgrad des Gesamtsystems um etwa 4 %. Wenn - beispielsweise - bei idealen, völlig verlustfreien Verhältnissen eine Wärmeleistung von 3,84 MW vorliegt und der Druckluftmotor 11 eine Leistung von 2,83 MW liefert und weiterhin die Kompressoren 8 eine Leistung von 1 ,66 MW benötigen, kann das System als Nutzleistung
2,83 MW - 1,66 MW = 1,11MW (4) liefern. In der Praxis treten jedoch stets Verluste auf. Beispielsweise treten auf Seiten des Druckluftmotors 11 Reibungsverluste im Druckluftmotor 11 und der elektrischen Maschine 12, elektrische Verluste in der elektrischen Maschine 12 und Wandlerverluste in dem Umrichter 13 auf. In analoger Weise treten zum Antreiben der Kompressoren 8 Reibungsverluste in den Kompressoren 8 und den antreibenden Elektromotoren und elektrische Verluste in den antreibenden Elektromotoren und den zugehörigen speisenden Umrichtern auf. Nachfolgend wird angenommen, dass in beiden Fällen der relative Wirkungsgrad der gesamten jeweiligen Kette 95 % beträgt, was in der Praxis ein sehr guter Wert ist. Bereits bei einem derart noch hohen relativen Wirkungsgrad verringert sich die Nutzleistung bereits auf
0,95 • 2,83 MW -1,66 MW/0, 95 = 0,94A/PT . (5)
Die Nutzleistung verringert sich also auf ca. 80 % ihres theoretisch möglichen Maximums. Bei einem relativen Wirkungsgrad von 90 % verringert sich die Nutzleistung auf ca. 60 % ihres theoretisch möglichen Maximums, bei einem relativen Wirkungsgrad von 85 % auf ca. 38,5 % und bei 80 % auf nur noch knapp 16 %. Bei einem relativen Wirkungsgrad ca. 76,5 % sinkt die Nutzleistung auf 0 und wird danach negativ. Ein hoher relativer Nutzungsgrad ist daher von großer Bedeutung.
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Zunächst ist die Abwärme der Hauptanlage 1 effizient nutzbar. Aufgrund der Verwendung von Luft 7 als Arbeitsmedium sind weiterhin auch keine besonderen Vorkehrungen gegen ein Entweichen der Luft 7 erforderlich. Denn ein derartiges Entweichen führt zwar zu einer Verminderung des Wirkungsgrades, aber nicht zu einer Umweltbelastung. Die Kompressoren 8 und der Druckluftmotor 11 können einfach und robust aufgebaut sein. Sie können bei geeigneter Auslegung mit einem hohen relativen Wirkungsgrad (deutlich über 90 %) arbeiten.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die Ansprüche definiert ist, zu verlassen. Bezugszeichenliste
1 Hauptanlage
2 Abgas
3 Abführeinrichtung
4 Rückgewinnungseinrichtung
5 Doppelpfeil
6 Kompressoranordnung
7 Luft
8 Kompressoren
9 Kühleinrichtungen
10, 17 Wärmetauscher
11 Druckluftmotor
12, 28 elektrische Maschinen
13 Umrichter
14 elektrisches Netz
15 Druckluftspeicher
16 Zapfstellen
18 Zwischenmedium
19 Wärmespeicher
20 Speichermedium
21 Wärmeabgabeeinrichtung
22 Regeleinrichtung
23 Gehäuse
24, 25 Wellen
26, 27 Aktivteile nK, nM Drehzahlen p1 , p2, p3, pa, pb Drücke
T1 , T2, T3, Ta, Tb, Tc Temperaturen
V2, V3 Volumina

Claims

Ansprüche
1. System zur Rückgewinnung von Energie,
- wobei das System eine Hauptanlage (1) aufweist, bei deren Betrieb ein heißes Abgas (2) entsteht,
- wobei die Hauptanlage (1) eine Abführeinrichtung (3) aufweist, welche von dem Abgas (2) durchströmt wird und über welche das Abgas (2) aus der Hauptanlage (1) abgeführt wird,
- wobei das System eine eine Anzahl von Kompressoren (8) aufweisende Kompressoranordnung (6) aufweist, mittels derer der Kompressoranordnung (6) zugeführte, eine Anfangstemperatur (T1) aufweisende Luft (7) von einem Anfangsdruck (p1) auf einen Enddruck (p2) und eine Zwischentemperatur (Tc) komprimiert wird,
- wobei das System einen der Kompressoranordnung (6) nachgeordneten Wärmetauscher (10) aufweist, der von der auf den Enddruck (p2) und die Zwischentemperatur (Tc) komprimierten Luft (7) durchströmt wird und mittels dessen der den Wärmetauscher (10) durchströmenden Luft (7) die Wärme des die Abführeinrichtung (3) durchströmenden Abgases (2) zugeführt wird und so die Luft (7) auf eine Endtemperatur (T2) erwärmt wird, und
- wobei das System einen dem Wärmetauscher (10) nachgeordneten Druckluftmotor (11) aufweist, dem die auf die Endtemperatur (T2) erwärmte und den Enddruck (p2) aufweisende Luft (7) zugeführt wird, der mit dieser Luft (7) betrieben wird und von dem die Luft (7) mit einer Abgabetemperatur (T3) und einem Abgabedruck (p3) abgegeben wird.
2. System nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Anzahl an Kompressoren (8) größer als 1 ist und die Kompressoren (8) in Serie hintereinander angeordnet sind, so dass die Luft (7), ausgehend von dem Anfangsdruck (p1), in mehreren Stufen auf den Enddruck (p2) komprimiert wird, und dass das System zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Kompressoren (8) angeordnete Kühleinrichtungen (11) aufweist, mittels derer die von dem der jeweiligen Kühleinrichtung (11) vorgeordneten Kompressor (8) zu dem der jeweiligen Kühleinrichtung (11) nachgeordneten Kompressor (8) geförderte Luft (7) gekühlt wird.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System hinter dem Kompressor (8), von dem die Luft (7) auf den Enddruck (p2) und die Zwischentemperatur (Tc) komprimiert wird, keine Kühleinrichtung aufweist.
4. System nach Anspruch 1 , 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System einen weiteren Wärmetauscher (17) aufweist, der in der Abführeinrichtung (3) angeordnet ist und mittels dessen die Wärme des Abgases (2) auf ein Zwischenmedium (18) übertragen wird, und dass das Zwischenmedium (18) direkt oder indirekt auf den die Luft (7) aufheizenden Wärmetauscher (10) wirkt.
5. System nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System einen Wärmespeicher (19) aufweist, dass der Wärmetauscher (10) zumindest im oberen Bereich des Wärmespeichers (19) angeordnet ist und vorzugsweise die den Wärmetauscher (10) durchströmende Luft (7) den Wärmespeicher (19) von unten nach oben durchströmt und dass zumindest im unteren Bereich des Wärmespeichers (19) eine Wärmeabgabeeinrichtung (21) angeordnet ist und vorzugsweise das Zwischenmedium (18) den Wärmespeicher (19) von oben nach unten durchströmt, so dass das Zwischenmedium (18) über die Wärmeabgabeeinrichtung (21) Wärme in den Wärmespeicher (19) einbringt.
6. System nach Anspruch 1 , 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Wärmetauscher (10) in der Abführeinrichtung (3) angeordnet ist, so dass die Wärme des Abgases (2) direkt auf den Wärmetauscher (10) übertragen wird.
7. System nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System einen Druckluftspeicher (15) aufweist, der zwischen dem Wärmetauscher (10) und dem Druckluftmotor (11) angeordnet ist.
8. System nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die der Kompressoranordnung (6) zugeführte Luft (7) der Umgebung entnommen wird.
9. System nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die von dem Druckluftmotor (11) abgegebene Luft (7) in die Umgebung abgegeben wird.
10. System nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System eine Regeleinrichtung (22) aufweist, mittels derer die Kompressoranordnung (6) und/oder der Druckluftmotor (11) derart geregelt werden, dass die Abgabetemperatur (T3) und der Abgabedruck (p3) zumindest näherungsweise mit dem Anfangsdruck (p1) und der Anfangstemperatur (T1) übereinstimmen.
11. System nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die Kompressoranordnung (6) als Kompressoren (8) Gasturbinen oder Schraubenverdichter aufweist oder dass die Kompressoren (8) jeweils wie folgt ausgebildet sind:
- die Kompressoren (8) weisen eine erste und eine zweite Welle auf, deren Wellenachsen mit einem seitlichen Versatz parallel zueinander angeordnet sind und die im Betrieb synchron und mit gleicher Drehzahl rotieren, so dass die beiden Wellen aneinander abrollen und gegeneinander luftdicht abgedichtet sind,
- die Kompressoren (8) weisen ein Gehäuse auf, das die erste Welle ringförmig umgibt,
- die erste Welle weist auf ihrer Außenseite eine Nase auf, die abdichtend an dem Gehäuse umläuft,
- die zweite Welle weist auf ihrer Außenseite eine Ausnehmung auf, in welche die Nase der ersten Welle beim Rotieren der Wellen temporär eintaucht und aus dem die Nase der ersten Welle sich später wieder löst,
- in dem Gehäuse sind eine Zuführöffnung und eine Auslassöffnung angeordnet, die in Drehrichtung der ersten Welle gesehen von der Nase kurz nach dem Lösen aus der Ausnehmung bzw. kurz vor dem Eintauchen in die Ausnehmung passiert werden, so dass die Nase einen von der ersten Welle und dem umgebenden Gehäuse gebildeten jeweiligen Hohlraum in einen ersten und in einen zweiten Abschnitt unterteilt, wobei der erste Abschnitt sich von der Winkelposition, an der die Nase der ersten Welle sich von der Ausnehmung der zweiten Welle löst, bis zur momentanen Winkelposition der Nase erstreckt und der zweite Abschnitt sich von der momentanen Position der Nase bis zu der Winkelposition erstreckt, an der die Nase der ersten Welle in die Ausnehmung der zweiten Welle eintaucht,
- die Einlassöffnung ist permanent geöffnet, so dass dem ersten Abschnitt kontinuierlich Luft zugeführt wird,
- über die Auslassöffnung wird die komprimierte Luft abgegeben,
- der Auslassöffnung ist eine Schließvorrichtung zugeordnet, von der die Auslassöffnung während einer Zeitspanne, in der sich die Nase kurz vor dem Eintauchen der Nase der ersten Welle in die Ausnehmung der zweiten Welle befindet, kurzzeitig geöffnet und danach wieder geschlossen wird.
12. System nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Druckluftmotor (11) als Gasturbine oder als Schraubenmotor ausgebildet ist oder wie folgt ausgebildet ist:
- der Druckluftmotor (11) weist eine erste und eine zweite Welle auf, deren Wellenachsen mit einem seitlichen Versatz parallel zueinander angeordnet sind und die im Betrieb synchron und mit gleicher Drehzahl rotieren, so dass die beiden Wellen aneinander abrollen und gegeneinander luftdicht abgedichtet sind,
- der Druckluftmotor (11 ) weist ein Gehäuse auf, das die erste Welle ringförmig umgibt,
- die erste Welle weist auf ihrer Außenseite eine Nase auf, die abdichtend an dem Gehäuse umläuft, - die zweite Welle weist auf ihrer Außenseite eine Ausnehmung auf, in welche die Nase der ersten Welle beim Rotieren der Wellen temporär eintaucht und aus dem die Nase der ersten Welle sich später wieder löst,
- in dem Gehäuse sind eine Zuführöffnung und eine Auslassöffnung angeordnet, die in Drehrichtung der ersten Welle gesehen von der Nase kurz nach dem Lösen aus der Ausnehmung bzw. kurz vor dem Eintauchen in die Ausnehmung passiert werden, so dass die Nase einen von der ersten Welle und dem umgebenden Gehäuse gebildeten ringförmigen Hohlraum in einen ersten und in einen zweiten Abschnitt unterteilt, wobei der erste Abschnitt sich von der Winkelposition, an der die Nase der ersten Welle sich von der Ausnehmung der zweiten Welle löst, bis zur momentanen Winkelposition der Nase erstreckt und der zweite Abschnitt sich von der momentanen Position der Nase bis zu der Winkelposition erstreckt, an der die Nase der ersten Welle in die Ausnehmung der zweiten Welle eintaucht,
- der Zuführöffnung ist eine Schließvorrichtung zugeordnet, von der die Zuführöffnung während einer Zeitspanne, in der sich die Nase kurz nach dem Lösen der Nase der ersten Welle aus der Ausnehmung der zweiten Welle befindet, kurzzeitig geöffnet und danach wieder geschlossen wird, so dass dem ersten Abschnitt temporär komprimierte Luft zugeführt wird,
- die Auslassöffnung ist permanent geöffnet, so dass die Luft über die Auslassöffnung kontinuierlich abgegeben wird.
13. System nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System eine elektrische Maschine (12) aufweist, dass die elektrische Maschine (12) ein Gehäuse (23) aufweist, in dem koaxial zueinander eine erste und eine zweite Welle (24, 25) gelagert sind, dass die erste und die zweite Welle (24, 25) jeweils ein Aktivteil (26, 27) der elektrischen Maschine (12) tragen, so dass zwischen den beiden Aktivteilen (26, 27) eine elektromotorische Kraft wirken kann, dass die erste Welle (24) mit dem Druckluftmotor (11) verbunden ist und dass die zweite Welle (25) mit den Kompressoren (8) der Kompressoranordnung (6) verbunden ist.
14. System nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System eine weitere elektrische Maschine (28) aufweist, deren Stator drehfest angeordnet ist und deren Rotor mit dem Druckluftmotor (11) oder den Kompressoren (8) der Kompressoranordnung (6) verbunden ist.
15. System nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System mindestens eine Zapfstelle (16) aufweist, an welcher der Kompressoranordnung (6) Luft (7) entnommen werden kann, wobei die der Kompressoranordnung (6) entnom- mene Luft (7) einen Entnahmedruck aufweist, der größer als der Anfangsdruck (p1) und maximal so groß wie der Enddruck (p2) ist.
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