-
System zur Ausnützung von Abwärme Die Erfindung betriff t ein System
zur Ausnützung von Abwärme.
-
Bei verschiedenen technologischen Prozessen entfällt eine große, meistens
im Kühlwasser enthaltene Wärmemenge von verhältnismäßig niedriger Temperatur. Diese
Wärme zur Beheizung auszunützen, ist nicht gut möglich, da sich in der nächsten
Unig&-buii,ö,r der ein niedriges Potential aufweisenden Abwärinequelle gewöhnlich
keine Verbraucher von geiiügender Größe befinden und eine Leitung auf größere Entfernungen
mit Rücksicht auf die niedrigen Ternperaturen nicht in Betracht kommt. Auch die
Ausn#itzung dieser Wärme in einer Niederdruck-Dampfeinrichtung zur Erzeugung von
elektrischer Energie stößt auf zahlreiche Schwierigkeiten. Das Aggregat müßte nämlich
mit gesättigtem Niederdruckdampf arbeiten, so daß die Druck- und Temperaturgefälle
in der Turbine gering wären und nur eine geringe spezifische Leistung zu erzielen
wäre. Die Einrichtungen wären daher verhältnismäßig groß und kostspielig. Bei einem
unter dein atmosphärischen liegenden Druck tritt noch die durch die in die Einrichtung
eingedrungene Luft entstehende Korrosionsgefahr hinzu.
-
infolge dieser Schwierigkeiten ist die Ausnützung von Ahwärmequellen
von niedrigem Potential verhältnismäßig selten. Das beweist unter anderem die übliche
Gesialtung metallurgischer Aggregate, wie Hochofen, Stahlhochöfen, Einrichtungen
zur Granulatio-n von Hochofenschlacke usw., wo diese Wärme praktisch überhaupt nicht
ausgenützt wird.
-
Abfallwärme ist in Krafterzeugungsanlagen bisher in der Weise ausgenutzt
worden, daß ein von dieser erzeugter Dampf von geringem Überdruck in einem Erhitzer,
der wiederum durch Abwärme, z. B. diejenige der Auspuffgase einer Gasmaschine, gespeist
wurde, überhitzt und in diesem Zustand einer Dampfturbine zugeleitet wurde. Der
aus der Abfallwärme stammende Dampf hat hierbei nach seiner Überbitzung zwar einen
höheren Wärmeinhalt, aber keinen höheren Druck als derj enige, der bei seiner ursprüng"
lichen Erzeugung erzielt werden konnte. Daran würde sich bei dieser Anlage auch
nichts ändern, wenn zur Überhitzung statt der Auspuffgase eine Wännequelle Verwendung
finden würde, die hochwertige Wärme und entsprechend auch höhere Temperatur liefert.
Eine Turbine, die saugseitig mit einem so, niedrigen Druck gespeist wird, ist aber
nicht wirtschaftlich.
-
Im Zuge der Weiterentwicklung der Abwärmeverwertungstechnik wurden
Kompressoren zur Wiederverdichtung von Abdampf eingeführt. Es handelt sich hierbei
um Dampf, der bereits in einer Turbine Arbeit Cse g leistet hatte und dort
entspannt und infolgedessen abgekühlt war. Dieser wurde durch einen Kompressor auf
einen solchen Druck- verdichtet, daß er entweder dem Druckraum des Dampfkessels,
der mit hochwertiger Wärme gespeist wurde und den Eingangsdampf für die Turbine
lieferte, wieder zugeführt werden konnte und sich mit dem vorhandenen Frischdampf
vermischte, oder nach Wiederaufheizung und gegebenenfalls Überhitzung zur Arbeitsleistung
weiterverwendet wurde.
-
In den beiden genannten Fällen der Verwendung von Kompressoren muß
eingangsseitig stets Dampf von solcher Temperatur und derartigem Druck zur-Verfügung
stehen, daß er in einer Kraftinaschine, z. B. in einer Turbine, wirtschaftlich verarbeitet
wer.-den kann, und hierzu ist es notwendig, zu seiner Erzeugung hochwertige Wärme
zur Verfügung zu haben.
-
Die vorliegende Erfindung befaßt sich dagegen mit der Aufgabe, Dampf,
der aus Abfallwärme erzeugt und dementsprechend hinsichtlich sowohl seiner Temperatur
als auch seines Drucks zur Erzeugung kinetischer Energie nicht geeignet ist, für
eine derartige Verwendung brauchbar zu machen, d. h. diese Abfallwärtne wirtschaftlich
zu verwerten.
-
Zu diesem Zweck greift die Erfindung auf die eingangs beschriebene,
nicht mit einem Kompressor ausgestattete Anlage zurück, schaltet aber zwischen den
mit Abfallwärme arbeitenden Dampferzeuger und den Erhitzer, für dessen Beheizung
nicht ebenfalls Abfallwär ' nie, sondern vollwertige Wärme verwendet wird,
einen Kompressor ein, der den Dampf vor seiner Erhitzung auf einen Druck verdichtet,
wie er eingangsseitig für die Turbine geeignet ist. Hierbei findet im Erhitzer praktisch
keine Veränderung des Drucks mehr statt. Ist die Turbine ausgangsseitig mit
einem
Kondensator versehen, so ist das Druckverhältnis hinter und vor dem Kompressor bedeutend
kleiner als das Druckverhältnis vor und hinter der Turbine. Der Leistungsbedarf
des Kompressors ist demnach wesentlich kleiner als die teistungsabgabe der Turbine,
so daß der Kompressor von der Turbine angetrieben werden und deren Leistungsüberschuß
anderweitig verwertet werden kann. Dagegen ist in Anlagen, in denen der Kompressor
den Abdampf der Turbine vor seiner Wiederaufheizung in einem Zwischenerhitzer wieder
verdichtet, der Abdampf überhaupt nicht mehr zur Erzeugung eines Überschusses an
kinetischer Energie in,einer nachgeschalteten Anlage, die den Kompressor betreiben
soll, verwertbar, denn das Druckverhältnis -#Or und hinter dem Kompressor- würde
genauso groß sein wie das Druckverhältnis vor und hinter der nächgeordneten Anlage,
d. h. also, theoretisch würde der Kompressor die nachgeordnete Anlage vollkommen
auslasten, praktisch aber überlasten, da im Kpmpressor noch Verluste entstehen.
Um das zu verhüten, müßte hinter der nachgeschalteten Anlage, Dieb den Abdampf verwertet,
ein Kondensator vorgesehen sein, um dort ausgangsseitig einen niedrigeren alsAtmosphärendruck
zu erzielen. In diesem Falle wäre es vorteilhafter, den Dampf ohne Verdichtung dem
Zwischenüberhitzer zuzuleiten, und zwar so, daß_die Expansion in der vor-Cleschalteten
Turbine bei einem Druck unterbrochen wird, der für den ZwischenÜberhitzer am geeignetsten
ist. Hierbei würde nämli - c - h ein genügend großer Druckunterschied
zur Verfügung stehen, und die An--wendung des Kompressors, der wegen der Verluste
mehr Leistung aufnimmt, als die nachgeschaltete Anlage abgibt, wäre zwecklos. Ist
aber, wie oben ausgeführt, der Druckunterschied über den Kompressor wesentlich kleiner
als über die Turbine, so ergibt sich eine ganz bedeutend günstigere Ausnutzung des
Abfalldampfs.
-
2wischenüberhitzungen, bei denen ein hochwertiger, d. h. unter
hohem Druck stehender und großen Wärmeinhalt besitzender Dampf die Eingangsstufe
einer Turbine speist und vor seinem Eintritt in diese Stufe den zwischen nachgeordneten
Stufen strömenden Dampf aufheizt, oder bei denen letzterer einen Überhitzer durchläuft,
der seine Wärme aus der Kesselfeuerung bezieht, sind an sich bekannt. Sie setzen
aber stets eine hochwertige- Wärmequelle zur Erzeugung des Eingangdampfs voraus,
lösen also nicht die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt.
-
Eine Anordnung zur Ausnutzung niederwertiger Abwärme, bei welcher
ein Erzeuger von Dampf von niedrigem Druck und geringem Wärmeinhalt unmittelbar
an einen Erhitzer angeschlossen ist, der Dampf in eine Turbine liefert, die Leistung
z.B. an einen elektrischen Generator abgibt, und bei der der Dampf von niedrigem
Druck mittels eines Kompressors auf hohen Druck verdichtet und in einem Erhitzer
auf hohe Temperatur gebracht wird, ist gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet,
daß zwischen den E, rzeuger von Dampf mit niedrigem Druck und geringem Wärmeinhalt
und den Erhitzer, der mittels vollwertiger Wärme diesen Dampf auf eine hohe Temperatur,
minimal 400' C, aufheizt, ein Kompressor eingeschaltet ist, dessen Leistungsbedarf
durch den Leistungsüberschuß der Turbine gedeckt wird, wobei (las Druckverhältnis
des Dampfs hinter und vor dem Kompressor bedeutend kleiner ist, z. B. um eine Größenordnung,
als das Druck-,erhältnis des Dampfs hinter und vor der Turbine. -
Hierbei
ist es günstig, den Kompressor zwecks Senkung seines notwendigen Leistungsbedarfs
aus dem Erzeuger mit feuchtem Dampf zu speisen und zwecks Senkung der Wärmemenge
zur Vorwärmung des Dampfs in dem Erhitzer die Turbine zweistufig auszubilden, wobei
die erste Stufe der Turbine mit hochwertigem, frischem Dampf aus dem Erhitzer arbeitet,
während die zweite Stufe mit in einem ##7ärmeaustauscher, welcher zur Vorwärmung
des komprimierten Dampfs vor dem Eintritt in den Erhitzer dient, abgekühltem Dampf
gespeist wird.
-
In Abänderung der letzterwähnten Ausführungsform kann die Ariordnung
gemäß der Erfindung auch so ausgebildet werden, daß die zweite Stufe der Turbine
mit einer Mischung von aus der ersten Stufe austretendem Dampf und dem niederwertigen
Dampf aus dem Erzeuger gespeist wird.
-
Beispiele für die Anordnung des erfindungsgemäßen Svstems sind schematisch
in den Zeichnungen veransäaulicht.
-
In Fig. 1 ist ein Schema eines aus einem Dampfentwickler
1, Kompressor 2, Erwärmer 3, Dampfturbine 4, elektrischen Generator
5, Kondensator 6 und Speisepumpe 7 bestehenden Systems veranschaulicht.
-
In dem Dampfentwickler 1 wird durch die Ab-
wärme Wasser
oder anderer Dampf von niedrigem Druck und niedriger Temperatur erzeugt. Als Dampfentwickler
kann z. B. ein Niederdruckkessel, eine Verdampfungskühlung von Hochöfen, eine Vorrichtun-
zur Drosselung erwärmten Wassers mit höherem Druck u. ä. dienen.
-
Dieser Dampf wird mit dem Kompressor 2 auf einen geeigneten Druck
komprimiert. Der kon-iprimierte Dampf wird in dem Erwärmer 3 mit Hilfe von
vollwertigem Heizstoff auf eine hohe Temperatur erhitzt. Als Quellen vollwertiger
Wärme können verschiedene Heizstoffe (z. B. überflüssiges Hochofengas) oder Rauchgase
von höherer Temperatur aus verschiedenen Öfen, Wärinemotoren u. a. Verwendung finden.
-
Den auf diese Weise gewonnenen Dampf von geeigneten Parametern läßt
man in der Dampfturbine4 expandieren, welche den Kompressor 2 und mit der überschüssigen
Leistung den elektrischen Generator5 antreibt. Der expandierte Dampf kondensiert
im Kondensator 6, von wo das Kondensat in den Kessel 1
zurückbefördert
wird, worauf sich der Kreislauf wiederholt.
-
In dem vorliegenden Beispiel wird der Überschuß der Leistung auf der
Welle des Aggregats 2, 4, 5 in elektrische Energie umgewandelt. Es ist jedoch
auch möglich, die überschüssige Energie des Aggregats zur Komprimierung einer weiteren
Dampfmenge aus der Ouelle 1 mit Hilfe des Kompressors 2 oder zur Lieie-rung
an verschiedene Verbraucher 8 (z. B. zu technologischen Zwecken, Beheizung
usw.) zu verwenden.
-
Andererseits ist es jedoch auch möglich, das System ohne den
Kompressor 2 einzurichten, wobei die Turbine 4 mit einem kleineren Druckgefälle
arbeitet.
-
Es sind noch weitere alternative Anordnungen, durch welche die Wirksamkeit
des Systems weiter erhöht wird, möglich.
-
So z. B. kann der Kompressor 2 von der Quelle 1
gesättigten
oder auch feuchten Dampf ansaigen. In diesem Falle wird der erforderliche Leistungsbedarf
für den Kompressor 2 infolge der Abkühlung des Dampfes durch Wassertropfenverdampfung
verringert. # Eine andere Anordnung, welche zur Verringerung des Verbrauchs von
vollwertiger Wärme führt, ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Sie beruht in der
Aufteilung der Expansion in der Turbine 4 in zwei
Stufen 4" und
V, zwischen welche ein weiterer Wärmeaustauscher 9 gelegt ist. Der teilweise
expandierte Dampf wird aus dem Hochdruckteil der Turbine 4' in den Austauscher
9 geführt, wo er den durch den Kompressor 2 komprimierten Dampf vorwärmt,
worauf er in den Niederdruckteil 4" zurückgeführt wird. In diesem Falle arbeitet
dann der Niederdruckteil 4" mit Dampf von niedrigerer Temperatur. Dadurch sinkt
zwar seine Leistung etwas, doch wird dies wiederum durch die vorteilhafte einfache
Konstruktion des Niederdruckteils wettgemacht.
-
Ein ähnliches Resultat wird auch ohne Benützung eines weiteren Wärmeaustauschers
erzielt, wenn sich nach dem Schema in Fig. 3 der teilweise expandierte Dampf
von der Anzapfung aus dem Hochdruckteil der Turbine 4' mit einer bestimmten Menge
von in dem Entwickler 1 erzeugten Niederdruckdampf mischt.
-
Die erfindungsgernäße Anordnung gestattet eine bessere Ausnützung
der niederpotentialen sowie der vollwertigen Wärme, als bei getrennter Verarbeitungsweise
in weit komplizierteren und mit größeren Investitionskosten verbundenen Einrichtungen
erzielt wird.