DE3910756A1

DE3910756A1 - VENTILATION SYSTEM FOR EXHAUSTING AN EXHAUST AIR FLOW LINKED WITH A HIGH VOLUME AND MASS FLOW

Info

Publication number: DE3910756A1
Application number: DE19893910756
Authority: DE
Inventors: Jochen Schanze
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-04-04
Filing date: 1989-04-04
Publication date: 1990-10-11
Also published as: WO1990012252A1

Abstract

In an air conditioning plant to extract a current of used air from a building containing organic pollutants in gaseous or finely divided form, with at least one fan arrangement which is designed to convey quantities of the order of a few 10<5> m<3>/h and forces the used air into the space outside the building against atmospheric pressure, the fan arrangement takes the form of a gas turbine in which at least 30 % of the used air flow is led through its burner chamber(s). Behind the gas turbine is fitted a heat recovery plant capable of extracting heat from the used air flow.

Description

Die Erfindung betrifft eine lufttechnische Anlage zur Abführung eines mit einem hohen Volumen- und Massen strom verknüpften Abluftstromes aus einem Gebäude, der mit gasförmigen oder in fein-tröpfchenförmiger Vertei lung vorliegenden organischen Laststoffen beladen ist, mit mindestens einer Ventilatoreinrichtung, die auf Fördermengen von der Größenordnung einiger 10⁵ m³/h ausgelegt ist und den Abluftstrom gegen den Atmosphären druck in den Gebäudeaußenraum fördert.The invention relates to a ventilation system for discharging a high volume and mass flow associated exhaust air flow from a building, which is loaded with gaseous or in fine-droplet distribution existing organic loads, with at least one fan device which is based on flow rates of the order some 10 ⁵ m ³ / h is designed and promotes the exhaust air flow against the atmospheric pressure in the building exterior.

Derartige Anlagen werden z.B. in der Automobil- Industrie für die Karosserie-Lackieranlagen benötigt, in denen nach dem Aufbringen des Lackes auf die Karosserien eine Einbrennphase bei erhöhter Temperatur erfolgt, die auch mit einem Verdampfen größerer Mengen von Lack-Lösungsmittelnverbunden ist, die mit dem Ab luftstrom in die Umwelt gelangen. Obgleich die solcher maßen freigesetzten organischen Stoffe nicht giftig und insoweit auch nicht umweltschädlich sind, so bewirken sie doch - aufgrund ihrer Geruchswirkung - eine oftmals erhebliche Umweltbelästigung, die sich in Anbetracht der großen Abluftmengen, die bei einem größeren Lackierwerk bis zu 2×10⁶ m³/h betragen können, in einem Gebiet von mehreren Quadratkilometern sehr störend auswirken können.Such systems are required, for example, in the automotive industry for the body painting systems, in which, after the paint has been applied to the bodies, there is a baking phase at elevated temperature, which is also associated with the evaporation of large amounts of paint solvents, which are associated with the process airflow into the environment. Although the organic substances released in this way are not poisonous and therefore not harmful to the environment, they do - due to their olfactory effects - often cause considerable environmental pollution, which in view of the large amounts of exhaust air that can occur up to 2 × 10 ⁶ m in a larger coating unit ³ / h can be very disruptive in an area of several square kilometers.

Da solche geruchsbelästigenden Stoffe einer Ausfilterung praktisch nicht zugänglich sind, bleibt als einzige praktikable Möglichkeit, die Geruchsbelästigung in der Umgebung eines Lackierwerkes weitestmöglich zu reduzie ren, der Bau großer Abluft-Kamine mit einer Höhe von 100 m und mehr, deren Erstellung mit hohen Kosten ver bunden ist und die auch in aller Regel das Landschafts bild erheblich stören.Because such odor-causing substances are filtered out remains practically inaccessible, remains the only one practicable way to reduce the smell in the Reduce the area around a coating unit as much as possible ren, the construction of large exhaust chimneys with a height of 100 m and more, the creation of which ver is bound and usually also the landscape disturb picture considerably.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine lufttechnische Anlage der eingangs genannten Art anzugeben, die bei vergleichsweise einfachem und raumsparendem Aufbau gleichwohl eine wirksame Vermeidung einer aus einer Befrachtung eines Abluftstromes mit organischen Sub stanzen ansonsten resultierenden Geruchsbelästigung gewährleistet.The object of the invention is therefore a ventilation Attachment of the type mentioned at the beginning, which at comparatively simple and space-saving construction nevertheless an effective avoidance of one out of one Charging an exhaust air flow with organic sub otherwise punch the resulting odor nuisance guaranteed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ventilatoreinrichtung mindestens eine Gasturbine umfaßt, durch deren Brennkammer(n) mindestens ein An teil von 30% des über die Turbine geförderten Abluft stromes geleitet ist.This object is achieved in that the fan device has at least one gas turbine comprises, through the combustion chamber (s) at least one part of 30% of the exhaust air conveyed by the turbine stream is directed.

Die Gasturbine vermittelt hier zusätzlich zu der - hohen - Förderwirkung auch die Funktion einer Schadstoff-Ver brennungsanlage, deren an die Atmosphäre abgegebenen Verbrennungsprodukte - im wesentlichen Wasser und Kohlendioxyd - geruchlos sind und daher in der Umgebung keine Geruchsbelästigung entfalten können. In addition to the - high - pumping effect, the gas turbine also conveys the function of a pollutant combustion system , the combustion products of which are released into the atmosphere - essentially water and carbon dioxide - are odorless and therefore cannot develop any unpleasant odors in the environment.

Die Anlage kann mit raumsparendem Aufbau unterirdisch installiert werden, so daß auch eine weitestgehende akustische Abschirmung der Anlage gegen die Außenwelt möglich ist. Als Auslaß genügt ein einfach erstell bares Bauwerk, dessen Höhe, falls es zwischen Werks gebäuden angeordnet werden muß, kaum größer zu sein braucht als diejenige der in unmittelbarer Nähe ange ordneten Gebäude.The system can be built underground to save space to be installed, so that as far as possible acoustic shielding of the system against the outside world is possible. A simple creation is sufficient as an outlet bares structure, its height, if it is between works buildings must be arranged to be hardly larger needs as the one in the immediate vicinity arranged buildings.

In bevorzugter Gestaltung der erfindungsgemäßen Anlage ist der Gasturbine eine Wärme-Rückgewinnungsanlage nach geschaltet, mit der dem Abluftstrom Wärme entziehbar ist. Diese Wärme kann mit Vorteil zur Beheizung des im Rahmen einer Einbrenn-Lackieranlage benötigten Warm luftstromes ausgenutzt werden.In a preferred design of the system according to the invention the gas turbine is a heat recovery system switched, with which heat can be extracted from the exhaust air flow is. This heat can be used to heat the Warm needed for a stoving paint system airflow can be exploited.

Im Rahmen dieser Wärme-Rückgewinnungsanlage kann sowohl ein Luft-/Luft-Wärmetauscher als auch ein Luft-/Wasser- Wärmetauscher vorgesehen sein.As part of this heat recovery system, both an air / air heat exchanger as well as an air / water Heat exchanger may be provided.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn diese Wärmetauscher- Einrichtungen in einem Beruhigungsraum angeordnet sind, in welchem die Strömungsgeschwindigkeit auf 1/10 bis 1/50 der Strömungsgeschwindigkeit reduziert ist, mit der der Abluftstrom aus der Austrittsdüse der Gastur bine austritt.It is useful if these heat exchanger Devices are arranged in a calming room, in which the flow rate to 1/10 to 1/50 of the flow velocity is reduced with which is the exhaust air flow from the outlet nozzle of the gas bine emerges.

Wenn, wie in spezieller Ausgestaltung der erfindungsge mäßen Anlage vorgesehen, die Gasturbine den Aufbau eines - für sich bekannten Einstrom-(TL)-Luftstrahltriebwerkes hat, so wird eine weitestmögliche Aufheizung des Abluft stromes und eine entsprechend weitgehende Umwandlung der Frachtstoffe in geruchslose Verbrennungsprodukte erzielt.If, as in a special embodiment of the fiction provided system, the gas turbine building a - Known single-stream (TL) air jet engine the exhaust air is heated as much as possible current and a correspondingly extensive conversion of the Freight materials achieved in odorless combustion products.

Alternativ hierzu kann, wenn für die Umwandlung der Laststoffe in geruchlose Endprodukte niedrigere Abluft- Temperaturen genügen, die Gasturbine auch den Aufbau eines - ebenfalls für sich bekannten - Zweistrom-Luft strahl-Triebwerkes haben, das sich durch eine besonders hohe Förderleistung auszeichnet.Alternatively, when converting the Pollutants in odorless end products lower exhaust air Temperatures are sufficient, the gas turbine also the structure one - also known for itself - two-stream air jet engine, which is characterized by a special high output.

Zumindest dann, wenn die lufttechnische Anlage für einen permanenten Betrieb vorgesehen ist, kann es zweckmäßig sein, wenn ein Teil der Antriebsleistung der Gasturbine für den Antrieb eines elektrischen Generators ausgenutzt wird, der einen erheblichen Anteil der für betriebliche Einrichtungen benötigten elektrischen Grundlast liefern kann. Wird die Anlage hingegen intermittierend betrieben, so ist es vorteilhaft, wenn der Generator zur Leistungs versorgung elektrischer Verbraucher der Anlage selbst benutzt wird.At least if the ventilation system for one permanent operation is provided, it may be appropriate be when part of the drive power of the gas turbine exploited for driving an electrical generator which is a significant part of that for operational Equipment to supply the required electrical base load can. However, if the system is operated intermittently, so it is advantageous if the generator to power supply electrical consumers of the system itself is used.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Diese zeigt in vereinfachter, schematischer Blockschalt-Bilddar stellung eine erfindungsgemäße Anlage zur Abführung und Aufbereitung eines Abluftstromes mit einem hohen Wert des Volumen- bzw. Massenstromes.Further details and features of the invention emerge derive from the following description of a special Embodiment with reference to the drawing. This shows in a simplified, schematic block circuit diagram position an inventive system for removal and Treatment of an exhaust air flow with a high value of the volume or mass flow.

Die in der Zeichnung dargestellten, insgesamt mit 10 bezeichnete lufttechnische Anlage dient zur Ausleitung eines durch Pfeile 11 und 11′ schematisch repräsentierten Abluftstrom aus einem Gebäuderaum 12 in die Atmosphäre.The illustrated in the drawing, generally designated 10 ventilation system is used to discharge an exhaust air flow represented schematically by arrows 11 and 11 'from a building room 12 into the atmosphere.

Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, daß sich in dem Gebäuderaum 12 eine - nicht dargestellte - Lackier anlage befinde, mittels derer gleichzeitig eine größere Anzahl von Fahrzeugkarosserien lackiert werden, wobei durch das Lackieren und "Einbrennen" des Lackes bei erhöhter Temperatur in dem Lack enthaltene Lösungs mittel verdampfen, die mit dem Abluftstrom 11 abge führt werden. Um eine hinreichende Durchlüftung einer Lackieranlage, mit der täglich mehrere 100 Fahrzeuge lackiert werden, zu gewährleisten, sind Luftströme von einigen 100000 m²/h, bei großen Anlagen von 2×10⁶ m³/h erforderlich, was, eine konventionelle Gestaltung der diesbezüglich erforderlichen Zuluft und Abluft-Ventilatoren als Radial- oder Axiallüfter vorausgesetzt, eine Vielzahl groß dimensionierter derartiger Strömungsmaschinen erfordert.For the purpose of explanation, it is assumed that in the building room 12 there is a paint shop (not shown), by means of which a larger number of vehicle bodies are painted at the same time, the paint being coated and "stoving" the paint at elevated temperature Evaporate solvent that leads abge with the exhaust air stream 11 . In order to ensure adequate ventilation of a painting system, with which several hundred vehicles are painted every day, air flows of a few 100,000 m ² / h are required, in large systems of 2 × 10 ⁶ m ³ / h, which is a conventional design in this regard required supply air and extract air fans as radial or axial fans, a large number of such flow machines required.

Bei der Anlage 10 ist als Abluft-Ventilator-Einrichtung eine stationäre Gasturbine 13 für sich bekannter Bauart vorgesehen, die über eine schematisch angedeutete Welle 14 einen Verdichter 16 antreibt, der den über eine Ab strömdüse 17 aus dem Gebäuderaum 12 austretenden Abluft strom zu den in der Zeichnung lediglich durch ein Brenn kammersymbol repräsentierten Brennkammern der Tur bine 13 fördert, wo in den mit den Schadstoffen be lasteten Abluftstrom 11 gasförmiger oder flüssiger Brennstoff eingeleitet bzw. eingespritzt wird, durch dessen Verbrennung der Abluftstrom 11 auf eine Tempe ratur zwischen 1200 und 1300°C erwärmt wird, dadurch stark expandiert und die Turbine 13 antreiben kann.In the system 10 , a stationary gas turbine 13 of a known type is provided as an exhaust fan device, which drives a compressor 16 via a schematically indicated shaft 14 , which streams the exhaust air emerging from the building space 12 via an outflow nozzle 17 to the in the drawing bine only by a combustion chamber symbol represented combustion chambers of the door supports 13, where it is introduced into the bE with the pollutants loaded exhaust air stream 11 of gaseous or liquid fuel or injected through the combustion of the exhaust air flow 11 to a tempering temperature 1200-1300 ° C is heated, thereby greatly expanded and can drive the turbine 13 .

In den Brennkammern 18 der Turbine 13 werden auch die von dem Abluftstrom 14 in dem Gebäuderaum 12 aufge nommenen Stoffe zu geruchlosen gasförmigen Stoffen, im wesentlichen Wasser- und Kohlendioxyd verbrannt, so daß der schließlich an die Atmosphäre abgegebene Abluftstrom 11′ frei von Stoffen ist, die in der näheren Umgebung der Anlage 10 ansonsten zu einer Geruchsbe lästigung führen könnten.In the combustion chambers 18 of the turbine 13 , the substances taken up by the exhaust air flow 14 in the building space 12 are burned to odorless gaseous substances, essentially water and carbon dioxide, so that the exhaust air flow 11 'finally released to the atmosphere is free of substances, which could otherwise lead to odor nuisance in the vicinity of the system 10

Um einen Teil der Wärme des aus der Turbine 13 aus tretenden Abluftstromes 11′ ausnutzen zu können, ist eine Wärmetauscher 19 vorgesehen, der als Luft-An-Luft- Wärmetauscher ausgebildet sein kann, mit dem ein zur Trockung ausgenutzter Luftstrom erwärmt und in den Trockungsbereich der Lackieranlage eingeleitet werden kann, oder als Luft-An-Wasser-Wärmetauscher, ggf. auch als eine Kombination solcher Wärmetauschersysteme, je nachdem, für welche Zwecke die zurückgewonnene Abwärme genutzt werden soll.In order to be able to take advantage of part of the heat of the exhaust air stream 11 'emerging from the turbine 13 , a heat exchanger 19 is provided, which can be designed as an air-to-air heat exchanger, with which an air stream used for drying is heated and into the drying area the painting system can be initiated, or as an air-to-water heat exchanger, possibly also as a combination of such heat exchanger systems, depending on the purposes for which the recovered waste heat is to be used.

Durch den Wärmetauscher 19 wird auch eine Kühlung des Abluftstromes 11′ erzielt, was aus Gründen einer mög lichst geringen Störung des Kleinklimas in der Umgebung des die Anlage 10 benutzten Betriebes erwünscht ist.Through the heat exchanger 19 , a cooling of the exhaust air flow 11 'is achieved, which is desirable for reasons of the lowest possible disturbance of the microclimate in the vicinity of the plant 10 used.

Der Wärmetauscher 19 ist zweckmäßigerweise in einem - nicht dargestellten - Beruhigungsraum angeordnet, dessen von dem Abluftstrom 11′ durchströmte Querschnitts fläche F ₂ deutlich größer ist als die wirksame Quer schnittsfläche F ₁ der - nicht dargestellten - Austritts düse der Turbine 13, so daß die Strömungsgeschwindig keit v _A des Abluftstromes 11′ um mindestens den Faktor F ₁/F ₂ kleiner ist als die Austrittsgeschwindigkeit des Abluftstromes 11′ an der Austrittsdüse der Turbine 13, in praxi jedoch noch deutlich niedriger, da, dank der Abkühlung des Abluftstromes 11′ im Wärmetauscher 19 und der damit verknüpften thermischen "Kontraktion" des Gasstromes noch eine weitere Reduzierung der Strömungs geschwindigkeit des Abluftstromes 11′ erzielt wird.The heat exchanger 19 is expediently arranged in a - not shown - calming room, the cross-sectional area F ₂ through which the exhaust air stream 11 'flows is significantly larger than the effective cross-sectional area F _{1 of} the - not shown - outlet nozzle of the turbine 13 , so that the flow rate speed v _{A of} the exhaust air flow 11 'is at least a factor F ₁ / F ₂ lower than the exit velocity of the exhaust air flow 11 ' at the outlet nozzle of the turbine 13 , but in practice it is still significantly lower because, thanks to the cooling of the exhaust air flow 11 'in the heat exchanger 19 and the associated thermal "contraction" of the gas stream still a further reduction in the flow rate of the exhaust air stream 11 'is achieved.

In spezieller Gestaltung der Anlage 10 kann deren Turbine 13 auch zum Antrieb eines elektrischen Gene rators 21 mit ausgenutzt werden, was dann besonders zweckmäßig ist, wenn die Anlage 10 im Permanent-Betrieb arbeitet. Dabei versteht es sich, daß für den Antrieb eines solchen Generators 21 nur ein relativ kleiner Bruchteil der von der Turbine 13 insgesamt erzeugten Antriebsleistung "verbraucht" werden sollte.In a special design of the system 10 , the turbine 13 can also be used to drive an electrical generator 21 , which is particularly expedient when the system 10 is in permanent operation. It goes without saying that only a relatively small fraction of the total drive power generated by the turbine 13 should be "used" for driving such a generator 21 .

Die Turbine 13 kann in einer für stationäre Turbinen gängigen Weise realisiert sein, wie z.B. in dem Lehr buch von Professor Dipl.-Ing. Willi Bohl "Strömungs maschinen", Aufbau und Wirkungsweise, 1. Auflage, Vogel-Verlag, 1977, Seiten 137 bis 140, erläutert.The turbine 13 can be implemented in a manner customary for stationary turbines, such as in the textbook by Professor Dipl.-Ing. Willi Bohl "Flow machines", structure and mode of action, 1st edition, Vogel Verlag, 1977, pages 137 to 140, explained.

Die Gasturbine 13 kann auch in konstruktiver Analogie zu aus der Lufttfahrttechnik bekannten Luftstrahl triebwerken realisiert sein, wie in dem genannten Lehrbuch auf den Seiten 140 bis 143 eingehend darge stellt und erläutert. The gas turbine 13 can also be realized in a constructive analogy to air jet engines known from aviation technology, as illustrated and explained in detail in the textbook on pages 140 to 143.

Hierbei ist eine Gestaltung der Turbine 13 in der Art eines Einstrom-Luftstrahl-Triebwerkes (TL) dann vorzu ziehen, wenn der gesamte Abluftstrom 11 auf die in den Brennkammern 18 erzeugte Temperatur erhitzt werden soll, während eine Gestaltung in Analogie zu einem Zweistrom- Luftstrahl-Triebwerk (ZTL), wie der Seite 143 des ge nannten Lehrbuches entnehmbar, dann besonders günstig ist, wenn die sich aus einem relativ kühlen Bypass- Lufstrom und dem "zentralen" heißen Antriebs-Luftstrom, der durch die Brennkammern der Turbine 13 geleitet worden ist, sicher ergebende Mischtemperatur ausreicht, um eine wirksame Umwandlung der in dem Abluftstrom 11 ursprünglich enthaltenen Laststoffe in unschädliche, insbesondere nicht zu einer Geruchsbelästigung führende Stoffe ausreicht.Here, a design of the turbine 13 in the manner of a single-flow air jet engine ( TL ) is preferred if the entire exhaust air flow 11 is to be heated to the temperature generated in the combustion chambers 18 , while a design in analogy to a two-flow air jet -Engine ( ZTL ), as can be seen from page 143 of the ge textbook mentioned, is particularly favorable if it consists of a relatively cool bypass airflow and the "central" hot drive airflow that has been passed through the combustion chambers of the turbine 13 is, the resulting mixing temperature is sufficient to effectively convert the pollutants originally contained in the exhaust air stream 11 into harmless substances, in particular substances that do not lead to odor nuisance.

Die Gestaltung der Turbine 13 in Analogie zu solchen, aus der Lufttfahrt bekannten TL- oder ZTL-Luftstrahl- Triebwerken ist günstig, da solche Triebwerke bei re lativ geringen radialen Messungen einen hohen Gas durchsatz ermöglichen, der bei großen "Triebwerken", deren Einströmdüse einen typischen lichten Durchmesser von 2 m hat, einen Volumenstrom von 2×10⁶ m³/h er möglichen.The design of the turbine 13 in analogy to such TL or ZTL air jet engines known from aviation is favorable, since such engines with relatively low radial measurements enable a high gas throughput, that of large "engines" whose inlet nozzle is one typical clear diameter of 2 m, a volume flow of 2 × 10 ⁶ m ³ / h he possible.

Die Auslegung der Anlage 10 auf einen Abluftstrom mit einem Volumenstrom von 10 bis etwa 2×10⁶ m³/h ist daher im Prinzip mit einer einzigen Turbine 13, die einen zu einem konventionellen Zweistrom-Luftstrahl- Triebwerk analogen Aufbau hat, möglich.The design of the system 10 for an exhaust air flow with a volume flow of 10 to about 2 × 10 ⁶ m ³ / h is therefore possible in principle with a single turbine 13 , which has a structure analogous to a conventional two-stream air jet engine.

Claims

1. Air-conditioning system for the discharge of an exhaust air flow associated with a high volume and mass flow from a building, which is loaded with gaseous or in fine-droplet-like distribution of organic loads, with at least one ventilator device, which relies on flow rates of the order of some 10 ⁵ m ³ / h is designed and promotes the exhaust air flow against the atmospheric pressure into the building exterior, characterized in that the fan device comprises at least one gas turbine ( 13 ) through the combustion chamber (s) ( 18 ) of which at least a share of 30% the exhaust air flow ( 11 , 11 ') is passed.

2. Ventilation system according to claim 1, characterized in that the gas turbine ( 13 ) is a heat recovery system ( 19 ) is switched on, with which the exhaust air flow ( 11 ') heat can be extracted.

3. Ventilation system according to claim 2, characterized in that an air / air and / or an air / water heat exchanger ( 19 ) is provided as part of the heat recovery system.

4. Ventilation system according to claim 2 or claim 3, characterized in that the heat exchanger device ( 19 ) is arranged in a calming room, in which the speed of the exhaust air flow ( 11 ') to 1/10 to 1/50 of the exit speed the exhaust air flow ( 11 ') at the outlet nozzle of the gas turbine ( 13 ) is reduced.

5. Ventilation system according to one of the preceding claims, characterized in that the gas turbine ( 13 ) has the structure of a - known per se - single-flow air jet engine.

6. Ventilation system according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the gas turbine ( 13 ) has the structure of a - known per se - two-stream air jet engine.

7. Ventilation system according to one of the preceding claims, characterized in that part of the drive power of the gas turbine ( 13 ) is used for driving an electric generator.