DE1079074B

DE1079074B - System for utilizing waste heat

Info

Publication number: DE1079074B
Application number: DEM34259A
Authority: DE
Inventors: Ladislav Michalicka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1956-05-24
Filing date: 1957-05-22
Publication date: 1960-04-07

Description

System zur Ausnützung von Abwärme Die Erfindung betriff t ein System zur Ausnützung von Abwärme.System for utilizing waste heat The invention relates to a system to utilize waste heat.

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.With various technological processes, a large one is usually omitted The amount of heat contained in the cooling water is at a relatively low temperature. These Utilizing heat for heating is not very possible, as it can be used in the next Unig & -buii, ö, r is usually the low potential source of waste heat there are no loads of adequate size and a line over longer distances in view of the low temperatures is out of the question. Also the Exploitation of this heat in a low-pressure steam device to generate electrical energy encounters numerous difficulties. The aggregate would have to work with saturated low pressure steam, so that the pressure and temperature gradients would be low in the turbine and only achieve a low specific power were. The facilities would therefore be relatively large and expensive. At a Below your atmospheric pressure, the pressure enters the facility the risk of corrosion caused by the ingress of air.

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.as a result of these difficulties is the use of heat sources of low potential is relatively rare. This proves, among other things, the usual Sealing of metallurgical units such as blast furnaces, steel blast furnaces, facilities for the granulation of blast furnace slag etc., where this heat is practically nonexistent is exploited.

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.Waste heat has so far been used in this way in power generation systems it has been proven that a steam generated by this at a slight overpressure in a heater, which in turn by waste heat, z. B. that of the exhaust gases from a gas engine fed was overheated and fed to a steam turbine in this state. Of the Steam coming from the waste heat has an overbeat here higher heat content, but no higher pressure than that which was originally production could be achieved. This would also apply to this system Do not change anything if a heat source is used instead of exhaust gases for overheating would find that delivers high quality heat and, accordingly, higher temperature. A turbine that is fed with such a low pressure on the suction side is, however not economical.

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 the course of the further development of waste heat recovery technology, compressors for recompression of exhaust steam were introduced. This is steam that had already performed work Cse g in a turbine, where it was relaxed and consequently cooled. This was compressed by a compressor to such a pressure that it could either be fed back into the pressure chamber of the steam boiler, which was fed with high-quality heat and supplied the input steam for the turbine, and mixed with the existing live steam, or after reheating and possibly overheating was used for work performance.

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.In the two cases mentioned, the use of compressors must steam of such a temperature and such a pressure is always available on the inlet side stand that he is in a Kraftinaschine, z. B. in a turbine, processed economically who.-can, and for this it is necessary to have high-quality heat to generate it available.

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.The present invention, however, is concerned with the object of making steam which is generated from waste heat and which is accordingly unsuitable for generating kinetic energy in terms of both its temperature and its pressure, for such use, i.e., steam. H. to utilize this waste stream economically.

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.To this end, the invention relies on the above-described, not equipped with a compressor system back, but switches between operating with waste heat steam generator and the heater, for the heating is not also Abfallwär 'never but full heat is used, a compressor a, which compresses the steam before it is heated to a pressure suitable for the turbine on the inlet side. There is practically no change in pressure in the heater. If the turbine is provided with a condenser on the outlet side, the pressure ratio behind and in front of the compressor is significantly smaller than the pressure ratio in front of and behind the turbine. The power requirement of the compressor is accordingly much smaller than the power output of the turbine, so that the compressor is driven by the turbine and the excess power can be used for other purposes. On the other hand, in systems in which the compressor compresses the exhaust steam from the turbine again in an intermediate heater before it is reheated, the exhaust steam can no longer be used at all to generate an excess of kinetic energy in a downstream system that is supposed to operate the compressor, because that Pressure ratio - # Or and downstream of the compressor - would be the same as the pressure ratio upstream and downstream of the next system, i.e. H. So, theoretically, the compressor would fully utilize the downstream system, but in practice it would overload it, since losses still occur in the compressor. In order to prevent this, a condenser would have to be provided downstream of the downstream system in which the thief recycles the exhaust steam in order to achieve a pressure lower than atmospheric pressure on the outlet side. In this case it would be more advantageous to feed the steam to the reheater without compression, in such a way that the expansion in the upstream turbine is interrupted at a pressure which is most suitable for the reheater. Here would nämli - c - h, a sufficiently large pressure differential is available, and the An - application of the compressor which receives because of losses more power, gives off than the downstream system, would be pointless. If, however, as stated above, the pressure difference across the compressor is significantly smaller than across the turbine, the result is a very significantly more favorable utilization of the waste steam.

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.2 intermittent overheating, in which a high-quality, i. H. Steam that is under high pressure and has a large heat content feeds the input stage of a turbine and, before entering this stage, heats the steam flowing between the downstream stages, or in which the latter passes through a superheater, which draws its heat from the boiler, are known per se. However, they always require a high-quality heat source to generate the input steam, so they do not solve the problem on which the present invention is based.

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.An arrangement for the utilization of low-value waste heat, in which a generator of steam of low pressure and low heat content is directly connected to a heater that supplies steam to a turbine, which delivers power to an electrical generator, for example, and in which the steam of low pressure compressed by a compressor to a high pressure and is placed in a heater to a high temperature, the present invention according to so designed that between the e, rzeuger of low pressure steam and low heat content and the heater, which means full-fledged heat this vapor on a high temperature, at least 400 ° C., a compressor is switched on, the power requirement of which is covered by the excess power of the turbine, where (the pressure ratio of the steam behind and in front of the compressor is significantly smaller, e.g. by an order of magnitude, than the pressure, maintenance of the steam behind and in front of the turbine. - Here it is favorable, de n To feed the compressor with moist steam for the purpose of reducing its necessary power requirement from the generator and to design the turbine in two stages in order to reduce the amount of heat for preheating the steam in the heater, whereby the first stage of the turbine works with high-quality, fresh steam from the heater, while the second stage with steam cooled in a ## 7 heat exchanger, which is used to preheat the compressed steam before it enters the heater.

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.In a modification of the last-mentioned embodiment, the arrangement according to the invention are also designed so that the second stage of the turbine with a mixture of steam emerging from the first stage and the low-value one Steam is fed from the generator.

Beispiele für die Anordnung des erfindungsgemäßen Svstems sind schematisch in den Zeichnungen veransäaulicht.Examples of the arrangement of the system according to the invention are schematic illustrated in the drawings.

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. 1 shows a diagram of a system consisting of a steam generator 1, compressor 2, heater 3, steam turbine 4, electrical generator 5, condenser 6 and feed pump 7 .

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.In the steam generator 1 , water or other steam of low pressure and low temperature is generated by the waste heat. As a vapor generator z. B. a low pressure boiler, evaporative cooling of blast furnaces, a device for throttling heated water with higher pressure and the like .

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.This steam is compressed with the compressor 2 to a suitable pressure. The compressed steam is heated to a high temperature in the heater 3 with the aid of full-fledged fuel. Various heating materials (e.g. superfluous blast furnace gas) or flue gases at a higher temperature from various furnaces, heat engines, etc. can be used as sources of full-fledged heat.

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.The steam of suitable parameters obtained in this way is allowed to expand in the steam turbine 4, which drives the compressor 2 and, with the excess power, the electric generator 5. The expanded steam condenses in the condenser 6, from where the condensate is returned to the boiler 1 , whereupon the cycle is repeated.

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.In the present example, the excess power on the shaft of the unit 2, 4, 5 is converted into electrical energy. However, it is also possible to use the unit's excess energy to compress a further amount of steam from source 1 with the aid of compressor 2 or to supply it to various consumers 8 (e.g. for technological purposes, heating, etc.).

Andererseits ist es jedoch auch möglich, das System ohne den Kompressor 2 einzurichten, wobei die Turbine 4 mit einem kleineren Druckgefälle arbeitet.On the other hand, it is j edoch also possible to arrange the system without the compressor 2, the turbine 4 operates with a smaller pressure gradient.

Es sind noch weitere alternative Anordnungen, durch welche die Wirksamkeit des Systems weiter erhöht wird, möglich.There are other alternative arrangements by which the effectiveness of the system is further increased, possible.

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.So z. For example, the compressor 2 can suck in saturated or moist steam from the source 1. In this case, the required power requirement for the compressor 2 is reduced as a result of the cooling of the steam by evaporation of water droplets. Another arrangement, which leads to a reduction in the consumption of full-fledged heat, is shown schematically in FIG. It is based the expansion in the turbine 4 in two steps 4 'and V, between which a further heat exchanger is placed 9 in the partition. The partially expanded steam is led from the high pressure part of the turbine 4' in the exchanger 9, where it meets the by the compressor 2 preheats compressed steam, whereupon it is returned to the low-pressure part 4 ″. In this case, the low-pressure part 4 ″ then works with steam at a lower temperature. Although this reduces its output somewhat, this is in turn compensated for by the advantageous, simple construction of the low-pressure part.

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.A similar result is achieved even without use of an additional heat exchanger when 3 of the partially expanded steam mixed according to the scheme in Fig. Of the tap from the high pressure part of the turbine 4 'with a certain amount of generated in the developer 1 low-pressure steam.

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.The arrangement according to the invention allows better utilization the low-potential as well as the full-fledged heat than with separate processing in facilities that are far more complex and involve greater investment costs is achieved.

Claims

PATENT CLAIMS-. 1. Arrangement for the utilization of low-value waste heat, in which a generator of steam of low pressure and low heat content is directly connected to a heater that delivers steam to a turbine, the power z. B. to an electric generator, and wherein the steam is compressed from low pressure by means of a compressor to high pressure and brought to high temperature in a heater, characterized in that 4ass between the generator (1) of steam with low pressure and low heat content and the heater (3), which uses full-fledged heat to heat this steam to a high temperature - minimum 400 ' C - a compressor (2) is switched on, the power requirement of which is covered by the excess power of the turbine, the pressure ratio of the steam behind and in front of the compressor (2) is significantly smaller, e.g. B. by an order of magnitude than the pressure ratio of the steam upstream and downstream of the turbine (4).

2. Ano.rdnung according to claim 1, characterized in that the compressor (2) from the generator (1) is fed with moist steam. 3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the turbine is designed in two stages (4 ", 41), wherein the first stage (4 ') of the turbine works with high quality fresh steam from your heater (3) , while the second Stage (4 ") is fed with steam cooled down in a heat exchanger (9), which serves to preheat the compressed steam before it enters the heater (3) (FIG. 2). 4. Arrangement according to claim 1 and 3, characterized in that the second stage (4 ") of the turbine is fed with a mixture of steam exiting from the first stage (4) and the low-value steam from the generator (1) Drawn pamphlets: German Patent Nos. 167 787, 903 934, 884 802, 313 842.