NL8403763A - Het mede opwekken van energie door middel van terugwinning van afvalwarmte uit glasovens. - Google Patents

Description

* e λ> - 1 -

Het mede opwekken van energie door middel van terugwinning van afvalwarmte uit glasovens_ __ __________

Achtergrond van de uitvinding.

Het'vervaardigen van glas is over hét algemeen gesproken een hoge temperatuur-energie intensieve handeling, waarbij bij benadering 65 tot 70 % van de totaal verbruikte hoeveelheid energie voor het smeltproces wordt gebruikt. Bij 5 typische gas of olie gestookte glassmeltovens wordt 30 % of meer van hun totale hoeveelheid ingevoerde energie afgevoerd via de uitlaatschoorsteen.

De tegenwoordig voor het glassmelten toegepaste met brandstof gestookte ovens worden of recupererend, 10 of regenererend, 'of direct gestookt. Die van het recupereren de type zijn typisch kleinere ovens voor glas met bijzondere eigenschappen? de regenererende types zijn echter fundamen- . teel gezien de grotere ovens, waarbij de regeneratoren uit metselwerk bestaan, waardoorheen de verbrandingslucht wordt 15 gevoerd op weg naar de zone, waar de branders de brandstof samen met de verbrandingslucht in de oven toevoeren en waardoorheen de uitlaatgassen van de oven op weg naar de schoorsteen passeren, De uitlaatgassen dragen hun warmte over op de regenerator of "checkers" in de vorm van bouwstenen, wan-20 neer zij er doorheen komen. Bij de tegenovergestelde cyclus wordt de verbrandingslucht, die schone lucht is, en'op omgevingstemperatuur is binnengevoerd, door de regenerator aan de andere kant gevoerd? en neemt dus warmte op van de bakstenen en verwarmt op deze wijze de lucht voor, voordat 25 zij door de poorten binnenkomt, waar eveneens de brandstof wordt binnengevoerd om een verbranding en het smelten van het glas in de oven te veroorzaken.

Bij de doelmatiger ontwerpen voor regenererende ovens wordt verbrandingslucht voorverhit tot een tem-30 peratuur van rond de 2300°F. Bijna alle glasovens, die worden 8403763

W

:s ~ï - 2 - gébruikt voor het smelten van verpakkingsglas, bestaande uit soda-kalk-siliciumdioxyde-glas, zijn van het regenererende type en bezitten productiecapaciteiten zo ongeveer tussen de 180 en 400 ton gesmolten glas per dag. Zoals is uitgelegd, 5 wordt in huidige ovens de verhittingsenergie gébruikt en her wonnen in regenererende ovens door het afwisselend door de regeneratoren voeren van de afvalgassen en de verbrandingslucht, welke regeneratoren dienst doen als warmte-opslag-inrichtingen.

10 Een typische goed ontworpen oven, die op grond van ervaring 183 ton per dag smelt, zou een energietoevoer naar de smeltoven van 4MM BTU/ton gesmolten glas in de vorm van brandstof en 2.2MM BTU/ton in de vorm van voorverhitte lucht vereisen. De energie-uitvoer bestaat uit 15 2MM BTU/ton in de vorm van gesmolten glas, 0.8MM BTU/ton in de vorm van stralingsverliezen van de smeltoven en 3.4MM BTU/ton via de uitlaatpoorten. Van de 3.4 MM BTU/ton in de smeltovenuitlaat wordt 65 % of 2.2MM BTU/ton door de regenerator- warmteopslag in de vorm van voorverwarmde lucht voor 20 hergebruik in de smeltoven teruggevoerd. 0.2MM BTU/ton gaat verloren als verliezen door de regeneratorwand en 1MM BTU/ton verdwijnt via de schoorsteen tezamen met de verbrandings-produkten. Minder doelmatige ovens zullen grotere afvoer-verliezen en dienovereenkomstig een groter brandstofverbruik 25 hebben. Afvalwarmte-terugwinningsprogramma's waren gericht op het door de schoorsteen verdwijnen van ongeveer 1MM BTU/ton gesmolten glas.Enkele van de békende programma's, die gebruik maken van de afvalwarmtestroom voor energietoevoer, zijn het voorverwarmen van het glasmengsel, af valwarmteketels en orga-30 nische Eankine-cyclus warmteterugwinsystemen. Het voorver warmen van het glasmengsel wint meer van de uitlaatwarmte terug in de smeltoven, waardoor er minder brandstof benodigd is. De andere twee programma's zijn gericht op het voor enig ander nuttig gebruik aanwenden van de uitlaatwarmte, zoals 35 stoom voor gebruik binnen de fabriek of voor de produktie van elektriciteit.

8 4 0 3 7 6 J

% Φ Λ - 3 -

De warmte van de regeneratoruitlaat van een typische regenererende oven bezit tegenwoordig een maximum tempertuur van ongeveer 950°F.

Aangezien de minimaal toelaatbare schoorsteen-5 uitlaattemperatuur ongeveer 450°F is, vanwege de condensatie- en corrosieproblemen, wanneer de temperatuur van het uitlaatgas hier beneden ligt, is het beste, wat het warmteterugwin-systeem kan doen, ongeveer de helft van de warmte in de regeneratoruitlaat op te vangen. Wanneer de opgevangen warmte door 10 een Rankine-cyclus wordt gevoerd om elektriciteit te produ ceren, wordt in het gunstigste geval 20 % van deze helft in arbeid omgezet en wordt de resterende 80 % als warmte van lage kwaliteit in de omgeving uitgeworpen. Het aan de hierboven beschreven goed ontworpen gasoven toevoegen van de 15 Rankine-cyclus zou resulteren in een uitvoer van ongeveer 29 KWH per ton gesmolten glas. Of het uitgekozen werkfluidum nu stoom of een organisch mengsel is, in de Rankine-cyclus moet ruwweg 80 % van de opgevangen warmte afgevoerd worden teneinde de resterende 2Q % in nuttige arbeid om te-zetten.

20 Een alternatieve benadering voor het in ar beidsvermogen omzetten van de uitlaatwarmte van de regenera- 6ΘΩ tor is het toepassen van uitwendig gestookte Brayton-cyclus.

Het belangrijkste verschil tussen een Rankine-cyclus en een Brayton-cyclus is, dat de Brayton-cyclus gébruik maakt van 25 een gasvormig werkfluidum, zonder dat er condensatie optreedt van de uitgeworpen warmtestroming.

Indién we een typische regenererende oven en de warmtewaarden, die in de diverse onderdelen van de oven aanwezig zijn, beschouwen, kan er worden verwezen naar 30 fig. 1, die een schematische weergave .is van een typische ' zijpoortoven. De weergegeven pijlen geven de richting aan, waarin lucht en gassen stromen, en aangezien die lucht met een temperatuur van ongeveer 2200°F bij de bovenste poort aan de linkerzijde naar binnenjtreedt en dat tegelijkertijd 35 eveneens brandstof bij deze poorten wordt binnengevoerd, zal er sprake zijn van een invoer in de voorverwarmde verbrandings- 8403763 * 3 - 4 -

lucht op 2200°P, die een warmtegehaltewaarde zal bezitten van 2.5MM BTU/ton gesmolten glas en waarbij het brandstofwarmte-gehalte gelijk zal zijn aan 4.5MM BTÜ/ton gesmolten glas. Zodoende is er een totale hoeveelheid warmte-invoer van 7MM

5 ETU/ton gesmolten glas. Vanaf dit punt wordt aangenomen, dat 11 de warmtehoeveeIheden zijn genormaliseerd op een per ton gesmolten glas-basis.

Bij een typische oven is er sprake van warmteverlies door de ovenwand van ongeveer lMM BTU. In aanvulling 10 op de uitlaat zal het glas, dat uit de oven komt, warmtehoe

veelheden van ongeveer 2MM BTU met zich mee voeren, zodat voor de hoeveelheid warmte, die als verbrandingsafvoergassen uit de smeltoven worden afgevoerd, 4MM BTU overblijft. Deze warmte zal de temperatuur van het boveneinde van de regenerator-15 inrichting (aan de rechterzijde in figi 1) tot ongeveer 2600°F

doen oplopen. Het hete uitlaatgas stroomt door de regenerator aan de rechterzijde naar beneden en treedt in het onderliggende kanaal binnen met een temperatuur, die bij benadering zo tussen de 900°-1000°F ligt en waarbij het warmtege-20 halte ongeveer gelijk is aan 1.5MM BTU. Dit uitlaatgas ver laat dan het kanaal en treedt in de schoorsteen binnen bij een temperatuur tussen de 550° en 850°F. De verbrandingslucht wordt in het benedeneinde van de regenerator- of "checker"-inrichting aan de linkerzijde gebracht en treedt er 25 binnen met een warmtegehalte van 0, aangezien het atmosferi sche lucht met een temperatuur van ongeveer 60°F betreft, hetgeen de enthaipie-referentieconditie is. Deze lucht wordt dan gedurende zijn stroming in opwaartse richting verhit tot 2200°F. Men dient zich te herinneren, dat deze cyclus zich-30 zelf omkeert, aangezien de verbranding'wordt omgekeerd, en aan de andere kant optreedt met een omkering van de klep-verbindingen van de binnenkomende lucht en de naar- de schoorsteen wegstromende uitlaatgassen. Dit wordt in fig. 1 weergegeven .

35 In fig. 2 is dit zelfde type zijpoortoven 8403763

« V

- 5 - weergegeven, maar met een aanvullend element, en dat is het voorverwarmen van de binnenkomende lucht op weg naar de regenerator, die wordt toegepast om de verbrandingslucht voor te verwarmen. Zodoende is te zien, dat inlaatlucht, in plaats van 5 op 60°F, zoals met betrekking tot fig. 1 is uitgelegd, nu is weergegeven op een temperatuur van 750-800°F. Dit bezit een warmtegehalte van 0.6MM BTU. Deze toegevoegde voorverwarming zal dan het warmtegehalte van de verbrandingslucht tot 2.6MM BTU doen toenemen, zodat de temperatuur van de verbrandings-10 lucht na het passeren door de "checkers" aan de linkerzijde over het algemeen 2300eF zal zijn. Hier zou dan een brandstof warmtewaarde van 4.4MM BTU aan kunnen worden .toegevoegd. Opgemerkt dient te worden, dat dit 0.1MM BTU minder is dan is vereist met betrekking tot fig. 1. De waarde van het 15 warmteverlies door de smeltovenwand zou weer 1MM BTU bedra gen en het glas, dat uit de oven stroomt, zou warmtehoeveelheden van ongeveer 2MM BTU met zich meevoeren, hetgeen een warmtegehalte van de uitlaatgassen van 4MM BTU zou overlaten, zoals dit eveneens het geval was bij hèt eerdere voorbeeld 20 met betrekking tot fig. 1. Men dient echter in gedachte te houden, dat, aangezien lucht met een temperatuur van 750-800°F aan het benedeneinde van de "checkers" wordt toegevoerd, . de benedengedeelten van de "checkers" meer warmte zullen opnemen en een aanzienlijk hogere temperatuur zullen bezitten 25 dan zonder de inlaat van lucht met een temperatuur -van 750- 800°F. Zodoende zal de temperatuur van de uitlaatgassen, die bij de bodem van de "checker" aan de rechterzijde aankomen, in de buurt van de 12509-1350°F liggen, waarbij het warmtegehalte 2MM BTU bedraagt. Dit is dan een. toename van de warmte-30 waarde van ongeveer .5MM BTüj echter, aangezien het beneden einde van de "checkers" met de schoorsteen is verbonden, is te zien, dat de uitlaatgassen, die de schoorsteen binnenkomen, een temperatuur van 800°-1200°F zullen bezitten. Men dient op te merken, dat de voorgaande en navolgende tempera-35 tuur- en warmtegehalte-relaties duidelijk een functie zijn van het ontwerp en de werking van het ovensysteem.

8403763 V Λ - 6 - m

Indien men dezelfde typische oven neemt, zoals in fig. 2 is weergegeven, en er een Brayton-cyclus warmte-terugwinsysteem aan toevoegt, is te zien, dat dit een aanzienlijke besparing kan opleveren. In fig. 3 is een hogedruk-5 warmtewisselaar weergegeven, die wordt toegepast in combina tie met het Brayton-cycluswarmteterugwinsysteem, waarin lucht uit de omgeving in een compressor wordt toegevoerd, die op zijn beurt door een er aan gekoppelde turbine wordt aangedreven, waarbij de turbine wordt aangedreven door de 10 expansie van de samengeperste lucht van de warmtewisselaar, waarbij de uitlaatgassen van de turbine de tot 750-800°F voorverwarmde verbrandingslucht voor de werking van de hoofdsmeltoven leveren. In deze situatie zal de turbine niet alleen de compressoraandrijven, maar kan hij eveneens een 15 elektrische generator aandrijven, die een bepaalde hoeveel heid elektrische energie zal opwekken.

Zoals in fig. 3 is weergegeven, zal de Brayton-cyclus luchtturbine T, die is weergegeven, bij ongeveer 130Q°F verwarmde lucht van de warmtewisselaar ontvangen, 20 waarbij er in de turbine een expansie plaats vindt om de compressor aan te drijven, en waarbij de uitlaatlucht van de turbine op meer dan 750°F als de voor-voorverwarmde verbrandingslucht in het smeltsysteem wordt toegevoerd. Deze cyclus dient, in vergelijking tot fig. 2, voor het verschaffen van 25 voorverwarmde lucht, dat in veel grotere mate aanwezig is dan benodigd is voor de verbranding, en reduceert het warmte-géhalte van de uitlaatgassen naar de schoorsteen, terwijl de temperatuur steeds in het acceptabele gebied van 450°-500°F wordt gehandhaafd. De andere temperatuurfiguren zijn in hoofd-30 zaak gelijk aan die van de typische regenererende oven met voorverwarmde lucht, zoals in fig. 2 is weergegeven. De elektrische energie, die door de Brayton-cyclus wordt opgewekt, zal dus bijna het dubbele bedragen van die van een Rankine-cyclus op een soortgelijke oven.

35 Het mede-opwekken van elektriciteit van afval warmte van glasovens is niet zonder meer een nieuw concept en 8403763 m - 7 - die was een thema op de 9 Energie Technologie Conferentie, die in februari 1982 werd gehouden, en is het onderwerp van artikelen, die op deze conferentie zijn gepresenteerd. Eén zo’n artikel is weergegeven in de notulen van de Conferentie 5 op de pag. 375-388, geschreven door J.G. Hnat, J.S. Patten en J.C. Cutting. Dit artikel verklaart de relatie tussen afvalwarmte-terugwinsysternen, waarbij gebruik wordt gemaakt van een stoom Rankine-cyclus, waarbij het warmteterugwin-medium bestaat uit stoom onder druk, van een organisch 10 Rankine-cyclus warmte-terugwinsysteem, waarbij als werk- fluldum tolueen wordt toegepast, en als een derde systeem, van een indirect verwarmde, positieve druk Brayton-cyclus warmteterugwinsysteem. Het is dit type systeem, waarop de uitvinding van de aanvrager is gericht, en dat de aanvrager 15 hierna in detail zal beschrijven.

In aanvulling op het artikel door Hnat et al werd op de Industriële Energiebesparings Technologie Conferentie en Tentoonstelling van 1981, van 26-29 april 1981 gehouden te Houston, Texas, een tweede artikel door James G.

20 Hnat, J.S. Patten, en Praven R. Sheth, alle van de Industriële

Energie Ontwikkelingsafdeling van Gilbert/Commonwealth of Reading, Pa. gepresenteerd. Dit artikel beschrijft het mede-opwekken van energie uit het smelten van glas met behulp van de Rankine- en Brayton-cyclus. Ook hier waren de geëvalueer-25 de en bestudeerde systemen een conventionele stoom Rankine- cyclus, een organische Rankine-cyclus, een indirect verwalmde Brayton-cyclus onder druk, en een sub-atmosferische Brayton-cyclus. De indirect verwarmde Brayton-cyclus onder druk is er een, die het meest van toepassing is op de onderhavige 30 uitvinding. De in dit artikel geschetste studie handelde over de positieve druk Brayton-cyclus, waarbij de verbrandingsgassen van de oven warmte overdragen naar samengeperste lucht, die door een compressor onder een druk van 38.7 psi en met een temperatuur van 265 °P werd geleverd. De verwarmde lucht 35 werd vervolgens via een ééntrapsturbine, die zowel een com pressor als een generator aandreef, geëxpandeerd. De uitlaat- 8403763 ·» <· - 8 - lucht van de turbine werd als voorverwarmde verbrandingslucht aan de regenerator toegevoerd. Er werd een turbine-expansie-verhouding van 2.5 op 1 toegepast voor de positieve druk Brayton-cyclus, welke verhouding was gebaseerd op een beschou-5 wing van gegevens, die over turbo-expanders voor warmte-terug- winning, die in fluïdum-katalytische kraakprocessen worden toegepast, waren gepubliceerd. Studies naar afvalwarmte-terugwinning door Garrett -Airesearch Manufacturing Company, zoals in dit artikel door Hnat, Patten en Sheth worden ge-10 citeerd, stellen de toepassing van een expansieverhouding van 3.5 op 1 voor. De turbine- en compressorrendementen, zoals aangenomen door Hnat et al, bedroegen respectievelijk 85 % en 87 %. Er werden warmtewisselaarparameters in de buurt van de 70 % tot 92.5 % in beschouwing genomen, en de invloed er-15 van op het cyclus-rendement bestudeerd. De conclusies van deze studie, die door de schrijvers met betrekking tot rendement en kostenvergelijkingen waren verkregen, geven aan, dat de Brayton-cyclus in toenemende mate minder elektrische energie opwekt wanneer het rendement van de warmtewisselaar af-20 neemt. De schrijvers erkenden conclusies van anderen, name lijk Rose & Colosimo, Power, Energy Systems Guide Book, augustus 1980, blz. 42-43, dat de minimum turbine-inlaat-temperatuur voor een effectieve werking van de Brayton-cyclus in de buurt van 1300°P lag. Daarom waren de schrijvers 25 niet verrast, dat de voorspelde elektrische energie-conversie- rendementen laag waren. De schrijvers verhoogden het aangenomen warmtewisselaar-rendement van 70 % naar 85 % en berekenden een belangrijke toename van het vermogen voor de Brayton-cyclus. Er werd echter vastgesteld, dat de vermogens-30 uitgang nog duidelijk economisch minder aantrekkelijk was dan Rankine-cyclussystemen. Men dient zich te bedenken, dat al deze aannames zijn gebaseerd op factoren, die niet noodzakelijkerwijs de werkelijke condities weergeven, die in een fabriek zouden worden bereikt. Zoals het onderwerp van deze 35 uitvinding is, herkenden de schrijvers niet het werkelijke potentieel van de positieve druk Brayton-cyclus in afval- 8403763 k ί » - 9 - warmte-terugwinning bij ovens.

Een ander artikel, in 1979 gepubliceerd door de American Chemical Society, betreft het Indirecte Brayton Energie Terugwinning Systeem, geschreven door B.E.Lampinen, 5 R.R. Gutowski, A. Topouzian en M.A. Pulick van de Ford Motor

Company, Dearborn, Michigan. Dit artikel beschrijft de enkelvoudige Brayton-cyclus, wanneer deze wordt toegepast op uitlaatgas met een temperatuur van 1300°F, waarbij naar een omgevingstemperatuur van 410°F wordt afgelaten. De Brayton-10 cyclus brengt lucht met een temperatuur van 100°F in een com pressor, voert de uitlaatlucht vanaf de compressor naar de warmtewisselaar en van de warmtewisselaar naar de turbine, waarbij voorverwarmde lucht met een temperatuur van 930eF de turbine verlaat. Dit artikel beschrijft eveneens een 15 IBERS-cyclus, die een variatie is van de enkelvoudige

Brayton-cyclus. Bij het IBER-systeem worden de uitlaatgassen direct via een turbine vanaf de atmosferische naar een sub-atmosferische druk geëxpandeerd. Uitlaatgas, dat de turbine verlaat, wordt dan door een warmtewisselaar gevoerd, 20 waar het wordt afgekoeld tot 200°-300°F. Het afgekoelde gas wordt dan door de aan de turbine gekoppelde compressor naar de atmosferische druk teruggecomprimeerd. In deze studie blijkt, dat men vindt, dat de IBERS-cyclus voordelen bezit ten opzichte van de enkelvoudige Brayton-cyclus voor het 25 terugwinnen van afvalwarmte. Deze IBERS-cyclus, of indirect

Brayton-energieterugwinningssysteem, is er een, waarbij het uitlaatgas van de oven zelf door de turbine wordt gevoerd en waarna de uitvoer van de turbine via de primaire of warmtewisselaar en dan terug naar de compressor wordt gevoerd, 30 waar de uitlaattemperatuur 460°F bedraagt. Over het algemeen handelt de rest van het artikel over de voordelen van de IBERS-cyclus ten opzichte van de enkelvoudige Brayton-cyclus.

De IBERS-cyclus heeft twee belangrijke nadelen bij de toepassing in afvalwarmte-terugwinsysternen. Deze zijn in de eerste 35 plaats, dat men gedwongen is om het smerige uitlaatgas van de oven door de turbomachinerie te voeren of anderzijds een hitte- 8403763 *1 V 4ί - 10 - opschoningsmethode te ontwikkelen, en in de tweede plaats, dat de lage drukhandeling grotere fysieke afmetingen van de turbomachinerie en het warmtewisselaarmaterieel vereist.

Samenvatting van de uitvinding.

5 Deze uitvinding heeft betrekking op de werk wijze en inrichting voor het terugwinnen van een aanzienlijk gedeelte van de afvalwarmte van een hogetemperatuur industrieel proces, waarbij de temperatuur van de verbrandings-produkten wordt gebruikt om de inlaatlucht naar een gasturbi-10 ne met een hoog rendement van een positieve druk Brayton- cyclus tot een temperatuur van boven 1300°F te verhitten, waarbij de luchtstroming door het compressorgedeelte van het systeem de 10 1b m/sec overschrijdt en de uitlaat van de turbine wordt gebruikt als bron voor voorverwarmde verbran-15 dingslucht voor het industriële proces.

Korte beschrijving van de tekeningen.

Fig. 1 is een schematisch aanzicht van een warmtestromingsdiagram van een typische regenererende oven;

Fig. 2 is een schematisch aanzicht van een 20 typische regenererende oven die overeenkomt met die van f ig. 1, waaraan een bevoorrading Set voorverwarmde verbrandingslucht is toegevoegdj

Fig. 3 is een schematisch aanzicht van een regenererende oven, die overeenkomt met. die van fig. 1, waar-25 aan een warmtewisselaar en een Brayton-cyclus energieterug- winsysteem van de uitvinding zijn toegevoegd;

Fig. 4 is een schematisch aanzicht en een warmte stromingsdiagram van een regenererende oven met een uitlaattemperatuurverhoging naar de warmtewisselaar van het 30 Braytoncyclus-energieterugwinsysteem van de uitvinding;

Fig. 5 is een schematisch aanzicht en een warmtestromingsdiagram van een regenererende oven die overeenkomt met die van fig. 4, waarbij een tweede uitvoeringswijze van het Brayton-cyclus energieterugwinsysteem van de 35 uitvinding is weergegeven;

Fig. 6 is nog een andere uitvoeringswijze 8403763 i * - 11 - van het energieterugwinsysteem van de uitvinding, zoals toegepast bij een regenererende oven, die zowel primaireals secundaire regeneratoren bezit; en

Fig. 7 is een diagram, dat de opstart- en 5 blijvende toestand-systeemwerking met de oven van fig. 6 weergeeft.

Gedetailleerde beschrijving van de tekeningen.

Onder speciale verwijzing naar de fig. 1-3, zal de ontwikkeling van het gebruik van voorverwarmde ver-10 brandingslucht en dan de verdere ontwikkeling van het gebruik van een warmtewisselaar in de uitlaatgasleiding met een enkelvoudig Brayton-cyclus energieterugwinsysteem worden uitgelegd in termen van warmtestromingen of warmtegéhaltes van diverse stromingen, uitgedrukt in miljoenen BTU's per ton ge-15 smolten glas, of Q-waarden, die aanwezig zullen zijn in een goede typische regenererende oven.

Onder speciale verwijzing naar fig. 1, is daar een typische regenererende oven weergegeven met een brandstof Q-waarde, die gelijk is aan 4.5, en die bij de inlaat-20 poort 10 wordt bevoorraad. De verbrandingslucht, die vanaf de bovenconstructie 11 van de regenerator 12 aan de linkerzijde door de poort 10 binnentreedt, zal een warmtegehalte van 2.5 en een temperatuur van ongeveer 2200°F bezitten. Zodoende zal de totale invoer van warmtegehalte naar de oven 25 gelijk zijn aan 7. Zoals hiervoor is uitgelegd, zal er een Q-verlies zijn van 1 door de ovenwanden als gevolg van stralingslekkage en andere verwachte en actuele warmteverliezen. Het glas, dat de oven zal verlaten, bijvoorbeeld als glasklompen/die bij vervaardiging van verpakkingsglas naar 30 de vormmachines worden afgevoerd, zal .vanaf de oven een warm- tewaarde gelijk aan 2 met zich meedragen. Het is dan logisch, dat, wanneer de brandstof is ontstoken en de uitlaatgassen door een uitlaatpoort 13 naar de bovenconstructie 14 van de regenerator 15 aan de rechterzijde zullen stromen, de warmte-35 hoeveelheid, die de oven verlaat in de vorm van uitlaatgas sen een temperatuur van ongeveer 2800°F eü een warmtegehalte- 8403763

X

- 12 - waarde van 4 zal bezitten. Dit uitlaatgas stroomt in benedenwaartse richting door de regenerator 15 aan de rechterzijde en stroomt aan de bodem uit in een kanaal 16 en bezit typisch een temperatuur in de buurt van de 800°-1000°F met een warmte-5 gehaltewaarde van 1.5, vergelijkbaar met 950°F, waarbij men dient te begrijpen, dat een warmtegehalte van 2.5 naar de regenerator 15 aan de rechterzijde is overgedragen en daar is opgeslagen. Vanaf het kanaal 16 gaan. de uitlaatgassen door een kanaal 17 naar schoorsteen 18. De uitlaattemperatuur in de 10 schoorsteen ligt dan in de orde van 550°-850°F.

De inlaatverbrandingslucht, die door een kanaal 19 naar de typische regenererende oven wordt toegevoerd, zal een ingangstemperatuur van bijvoorbeeld 60 °F als gemiddelde en een warmtegehaltewaarde van 0 bezitten. Bij omkering 15 van het systeem, zoals deze typische regenererende ovens werken, zal lucht in het kanaal 16 worden binnengevoerd, terwijl de uitlaatgassen vanaf het benedeneinde van de regenerator aan de linkerzijde door het kanaal 19 en van daaruit naar het kanaal 17 zullen stromen. Het is duidelijk, dat de 20 omgevingslucht zijn warmte in de regenerator opneemt en daar door een temperatuursverhoging tot 2200QF ondergaat.

Onder verwijzing nu naar fig. 2, is daar een •situatie weergegeven, waarbij tot 750-800°F voorverwarmde lucht, die een Q-waarde van .6 bezit, naar het kanaal 19 wordt 25 gevoerd. Men dient te begrijpen, dat dezelfde referentie- nummers van toepassing zijn op gelijksoortige materieelonder-delen, zoals in fig. 1 is aangegeven. Zodoende is in fig. 2 te zien, dat door de toevoeging van verbrandingslucht met een temperatuur van 750-800°F, die in het kanaal 19 binnentreedt, 30 de regenerator 12 de temperatuur van deze lucht tot ongeveer 2300°F zal doen toenemen, op welk moment deze verbrandingslucht een Q-waarde van 2.6 zal bezitten. Hieraan kan dan brandstof, die een Q-waarde van 4.4 bezit, worden toegevoegd om de vereiste Q-waarde van 7 bij het binnentreden van de 35 smeltoven of oven M te bereiken. De verliezen uit de smelt oven zullen wederom een Q-waarde van 1 bezitten en er zal de 8403763 * ψ

V

- 13 - uitlaattemperatuur van 2600°F met een Q-waarde van 4 worden bereikt. Er moet echter op gewezen worden, dat, aangezien er aan het benedeneinde van de "checker" of regeneratoren 12 en 15 voorverwarmde lucht wordt toegevoerd, deze regenera-5 toren bij elke cyclus een grotere hoeveelheid warmte opslaan en zodoende zal de uitlaattemperatuur voor de uitlaatgassen vanaf de regenerator 15 aan de rechterzijde naar het kanaal 16 een temperatuur in de buurt van de 1250°-1350°F met een Q-waarde van 2 voor de temperatuur van 13-50°F bezitten. Aldoende 10 · zal de temperatuur van de uitlaatgassen in het kanaal 17 en naar de schoorsteen 18 verhoogd worden naar ongeveer 800°-1200°F. Zodoende is te zien, dat, terwijl het gebruik van voorverwarmde lucht de Q-waarde van de brandstof met .1 kan verminderen, en dus resulteert in een brandstofbesparing, 15 de uitlaattemperaturen en de temperatuur van de uitlaatgas sen naar de schoorsteen op een aanzienlijk hoger niveau liggen dan die in de typische oven, die met omgevingsverbrandings-lucht werkt. Aldus is te zien, dat het voordelig zou zijn, wanneer de energie in de uitlaatgassen, die een temperatuur 20 bezitten van ongeveer 800-1200°, benut zou kunnen worden en gebruikt zou kunnen worden om voorverwarmde lucht te verschaffen, en dat er dan een enigszins toegenomen brandstofbesparing zou kunnen zijn in de situatie, die met betrekking tot fig. 1 is uitgelegd.

25 Onder verwijzing nu naar fig.‘ 3, zou het,

zoals gesteld, voordelig zijn om een systeem te verschaffen voor het terugwinnen van de verloren warmte,- die via de schoorsteen opstijgt, en door dit te doen de schoorsteen-temperatuur tot rond de 450°-500°F te reduceren. Het is be-30 grijpelijk, dat een schoorsteentemperatuur lager dan 400-450°F

schadelijk zou zijn, omdat het zou resulteren in het in de schoorsteen condenseren van ongewenste bijtende zuren en andere schadelijke reactieprodukten, die bij een lagere temperatuur zouden worden geproduceerd. In fig. 3 is een warmtewisse-35 laar 20 weergegeven. De warmtewisselaar is weergegeven, waar bij hij zich in het kanaal 17 bevindt, waardoor hij alle uit- 8403763 » V' - 14 - Η h laatgassen van de smeltoven opneemt. De warmtewisselaar is een deel van een Brayton-cyclus, waarbij men dient te begrijpen, dat de Brayton-cyclus per definitie een thermodyna-mische cyclus is, die is samengesteld uit twee adiabatische 5 en twee isobare veranderingen in afwisselende volgorde. Het wordt soms ook "Joules-Cyclus" genoemd. De Brayton-cyclus is blijkbaar van het indirecte type, aangezien de uitlaatgassen, die via de warmtewisselaar en de lucht, die door de uitlaatgassen wordt verwarmd, passeren, niet in direct con-10 tact met elkaar komen of er mee worden gemengd; daarom is de warmtewisselaar 20, zoals dit wordt genoemd, een indirecte warmtewisselaar.

De Brayton-cyclus bestaat in zijn eenvoudige vorm uit een compressor, die in fig. 3 met een C is aange-15 geven, welke door middel van een as 21 op mechanische wijze aan een turbine is gekoppeld, die is aangegeven met T, waarbij de turbine op zijn beurt via de uitvoeras 21 een generator 22 voor het opwekken van elektrische energie aandrijft.

De uitvoer van elektrische energie is*weergegeven door de 20 pijl# die zich in benedenwaartse richting vanuit generator 22 uitstrekt. De inlaat van de compressor C is via een filter 23 met omgevingslucht verbonden, die met een temperatuur van ongeveer 60°F binnentreedt. Deze gefilterde lucht stroomt door naar de compressor, die de lucht comprimeert en tege- 25 lijkertijd zijn temperatuur tot ongeveer 350°F zal doen toe nemen. Deze zich onder druk bevindende lucht wordt dan door. de warmtewisselaar toegevoerd waar het additionele warmte opneemt teneinde zijn temperatuur te doen stijgen en zal de wisselaar verlaten met een temperatuur van ongeveer 1300°F 30 en met een verhoogde druk in de buurt van de 100 psig. Deze verwarmde samengedrukte lucht zal in de turbine T expanderen en deze aandrijven, welke op zijn beurt de compressor en de generator 22 aandrijft. De uitlaat van de turbine T zal een temperatuur van ongeveer 750o-800°F bezitten en dit wordt 35 dan bron van voorverwarmde verbrandingslucht, die aan de ..........."checkers" aan de linkerzijde wordt toegevoegd, zoals in fig.3 % 8403763 - 15 - is weergegeven.

Wederom moet er op gewezen worden, dat bij een omkering van de oven de luchtinlaat aan het tegenovergelegen kanaal 16 zal worden gekoppeld en dat de verbrandings-5 poort en de uitlaatpoort omgekeerd zullen worden. Wederom zal de warmtewisselaar nog dezelfde Q-effecten, zoals eerder met betrekking tot fig. 2 was uitgelegd, ondervinden. Het is echter te zien, dat de temperatuur van de uitlaatgassen, de vanaf de regenerator na het passeren door Warmtewisselaar, 10 de temperatuur van de uitlaat tot 450°-500°F heeft doen da len, en dat het systeem nu niet alleen de voorverwarmde verbrandingslucht heeft geproduceerd, maar dat het eveneens is ontworpen om elektrische energie zo in de buurt van de 50 KWH per ton gesmolten glas te kunnen produceren. Er dient op 15 te worden gewezen, dat alle drie voorbeelden in de fig. 1-3 betrekking hebben op een typische smeltoven met een produktie-capaciteit van 183 ton per dag. Bij dit systeem is de benodigde hoeveelheid brandstof verminderd, aangezien er een Q-waarde van slechts 4.4 benodigd is, en er is sprake van een addi-20 tionele terugverdienste van geproduceerde elektrische ener gie. Eveneens bij dit systeem zal de binnenkomende lucht, die door de compressor, de warmtewisselaar en de turbine wordt gevoerd en dan voorverwarmde verbrandingslucht wordt, veel meer zijn .dan vereist is. Aldus is te zien, dat een gedeelte 25 van de uitlaatlucht van de turbine afgevoerd zal moeten wor den, en vanwege het feit, dat deze lucht schoon is, kan het worden gebruikt voor de verwarming van de ruimte in een glasfabriek of voor een ander doel, waarbij ludit met een temperatuur van 750°-800°F bruikbaar zou zijn.

30 De Brayton-cyclus wordt vanzelfsprekend een onderdeel van de lucht-voorverwarming-terugwinlus, waarbij de uitlaatlucht van de turbine bij 750-800°F in de inlaat voor verbrandingslucht van de oven wordt geïnjecteerd en dit brengt een Q-waarde van .6 terug in de lus. De grotere hoe-35 veelheid lucht, die aan de bovenzijde van de "checker" of regenerator wordt voorverhit, brengt een additionele Q-waarde 8403763 - 16 - van .1 ten opzichte van het systeem, dat in fig. 1 is beschreven, over in de smeltoven met de overeenkomstige brandstof-besparing van de smeltoven. Het in de bodem van de regenerator toevoeren van lucht met een temperatuur van 750°-800°F doet 5 eveneens de uitlaattemperatuur tot ongeveer 1350°F stijgen, en de Q-waarde van de totale uitlaatwarmte van 1.5 naar 2 toenemen. Aangezien de warmtewisselaar nu kan worden ontworpen voor een opnamerendement met een Q van 1.2, terwijl de temperatuur van de schoorsteengassen nog tot 500°F, overeen-10 komend met een Q van 0.8, kan stijgen (met een afvalstroom met een temperatuur-van 1350°F kan een Brayton-cyclus werkzaam zijn om de uitvoer van de warmtewisselaar in energie om te zetten om bij benadering 50 KWH per ton op te leveren, hetgeen bijna twee keer zoveel is als de uitvoer van de ver-15 gelijkbare Rankine-cyclus). Van de’Q van 1.03, die door de

Brayton-cyclus wordt uitgeworpen, wordt een Q van 0.6 als voorverwarmde lucht in de oven teruggevoerd en wordt een Q van 0.3 hopelijk voor andere constructieve toepassingen afgevoerd. -De reden,dat een Q van 0.3 moet worden afgevoerd is, 20 dat de massastroom van lucht door de gasturbine normaal ge sproken de vereiste hoeveelheid verbrandingslucht voor de oven overschrijdt. De hoeveelheid afvoer zal afhangen van het ontwerp en de werkcondities van de oven en van de afstelling tussen de turbomachinerie en het ovensysteem. Het over-25 schot is een schone heteluchtstroming, die beschikbaar is voor het verwarmen van ruimten of voor andere verwarmings-toepassingen.

In het voorbeeld, dat in fig. 3 is weergegeven, heeft de Brayton-cyclus bijna twee keer de uitvoer van 3Θ de Rankine-cyclus, die onder dezelfde "gastheer-oven-omstan- digheden,r werkt, omdat de door de Brayton-cyclus uitgeworpen warmte als voorverwarmde lucht in het proces kan worden teruggevoerd. De reden, dat de uitgeworpen warmte van de Rankine-cyclus niet in het proces kan worden teruggevoerd, is, dat 35 de Rankine-cyclus zijn warmte normaalgesproken bij een tem peratuur van minder dan 200°F zou uitwerpen. Het blijkt on- 8403763 • » f - 17 - praktisch, te zijn om te proberen om warmte van zo lage temperatuur terug in de oven te voeren» Opgemerkt dient te worden, dat in de Brayton-cyclus, wanneer we een Q van 0.6 als voorverwarmde lucht terug in de regeneratoren voeren, slechts 5 een Q van ongeveer 0.1 ten goede komt aan brandstofbesparing voor de oven, terwijl een Q van 0.5 bij een hoge temperatuur terug uit de oven komt, welke gereed is om weer door de con-versie-cyclus te worden gevoerd.

Indien men naar het energiestromingsdiagram 10 voor het Brayton-cyclus energieterugwinningssysteem kijkt, zoals in fig. 3 is weergegeven, vallen twee dingen op. In de eerste plaats zou men de schone lucht met een temperatuur van 750°-800°F, die als afvalwarmte is weergegeven, als een hulpwarmtestroming terug willen hébben in het algehele glas-15 proces. Ingeval het kan worden benut, zou enige aanvullende investering zijn vereist om het in arbeid om te zetten. In de tweede plaats, en het meest belangrijk is, dat de .17 MM BTU per ton, die wordt omgezet in vermogen, een waarde bezit van ruwweg drie keer de kosten van de invoerwarmte.

20 Indien we de omgezette invoerenergie met 3 vermenigvuldigen en er de waarde van de in de oven. teruggevoerde warmte-energie aan toevoegen, wordt de 4MM BTU per ton, die naar het warmteterugwinningssysteem wordt gevoerd, in een waarde van 0.51MM BTU per ton door de Brayton-cyclus omgezet,plus 25 2.6MM BTU per ton naar de smeltoven teruggevoerd. Daarom werkt de regenerator-Brayton-cyclus combinatie als een 77.’8 % efficiënt energieterugwinningssysteem. Indien we het systeem van fig. 1 bekijken, is het rendement van warmteterugwinning voor de regenerator alleen, zoals is bepaald door het ver-30 gelijken van de warmte, die vanaf het .warmteterugwinnings systeem naar de smeltoven wordt teruggevoerd,. met de warmte, die aan het warmteterugwinningssysteem wordt toegevoerd, (2,5/4) x 100 of 62.5 %. Hoe meer warmte naar de Brayton-cyclus wordt toegevoerd, des te hoger wordt het rendement 35 van het gecombineerde terugwinningssysteem. Daarom zou men zoveel mogelijk van de lucht-voorverwarmingsbelasting op de 8403763 * - 18 -

Brayton-cyclus willen leggen en zo weinig mogelijk op de regeneratoren. Met andere woorden, men zou graag alle uit-laatwarmte van de smeltoven door de gasturbine willen voeren. Helaas verhinderen de temperatuurbegrenzingen van warmtewisse-5 laars en van turbinébladen het uitvoeren van een dergelijk plan. Het is echter aangetoond, dat een grotere hoeveelheid warmte-uitvoer van de warmtewisselaar, zoals het opvoeren van zijn temperatuur, de uitvoer van de turbine zal doen toenemen, aangezien de lucht van hdgere temperatuur met een hoger 10 warmtegehalte wordt geëxpandeerd en op zijn beurt de uitvoer van de generator doet toenemen.

De aanvrager heeft echter gevonden, dat, teneinde de werking van de Brayton-cyclusturbine efficiënter te maken en meer terug te laten verdienen, de turbine bij een 15 hogere inlaattemperatuur van ongeveer 1450°F zou moeten wer ken. Deze temperatuurstoename van de invoer naar de turbine kan worden verkregen door gebruik te maken van een brander, waarvan de verbrandingslucht kan worden verkregen van een gedeelte van de voorverwarmde lucht bij de verhoogde tempera-20 tuur van 750o-800.°F, waardoor de uitgaven en kosten van deze verbrandingsverhitting, die plaats vindt in een brander B (fig. 4), die op het uitlaatkanaal juist voor de warmtewisselaar afvoert, worden gereduceerd. Deze aanvullende functie,' die als een deel van de onderhavige uitvinding wordt be-25 schouwd, is in fig. 4 weergegeven en wordt in de volgende beschrijving in detail uitgelegd.

Met het voorgaande in gedachten, en onder verwijzing naar in het bijzonder fig. 4, is daar een oven weergegeven, die in hoofdzaak op dezelfde manier werkt, als in 30 fig. 3 is weergegeven. Alle elementen .zijn .in hoofdzaak ge lijk aan die van de inrichting van fig. 3,. met uitzondering van de toevoeging van een ruimteverhitter of regelbrander 24. De brander 24 zal de temperatuur van de uitlaat van de regenerator aan de rechterzijde doen toenemen en het vanaf 35 de temperatuur van 1350°F naar ongeveer 1600°F bij de ingang naar de warmtewisselaar 20 doen toenemen. De brander 24 wordt 8403763 > -* - 19 - voorzien van een gedeelte van de voorverwarmde verbrandingslucht met een temperatuur van 750°-80Q°F, die van de turbine T komt. Zodoende wordt de ruimteverhitter of regelbrander van voorverwarmde verbrandingslucht voorzien om nog meer op 5 de werking van de ruimteverhitter te besparen. Het resterende gedeelte van de uitlaatlucht van de turbine T wordt weer naar de "checkers" of regenerator 12 aan de linkerzijde toegevoerd. Het is te zien, dat in deze situatie de hoeveelheid af gevoerde lucht wat minder kan zijn, hetgeen afhankelijk is van IQ de hoeveelheid voorverwarmde lucht, die wordt gebruikt om de brander 24 te doen werken. Indien de invoer naar de warmtewisselaar bij een verhoogde temperatuur van 1600°F plaats vindt, zal de lucht met.een temperatuur van 350°F, die vanaf de compressor C komt en in de warmtewisselaar 20 binnentreedt, 15 met een temperatuur van ongeveer 1450°F uittreden. Deze lucht met een temperatuur van 1450°F van de warmtewisselaar 20 zal een druk bezitten van ongeveer 100 psi en zal in de turbine T expanderen om de turbine en dé compressor, evenals de generator 22 aan te drijven, waarbij de uitvoer van de genera-20 tor ongeveer 122 KWH per ton gesmolten glas bedraagt. Aldus is te zien, dat, wanneer de glassmeltoven een capaciteit bezit van 200 ton per dag, de totale uitvoer 24,400 KWH per dag>-uitvoer zou zijn.

De regelbrander 24, die is aangebracht om 25 verwarmde lucht aan het uitvoerkanaal toe te voegen, zoals in fig. 4 is weergegeven, verschaft een inrichting, waar de verbrandingsprodukten in de warmtewisselaar 20 zullen passeren en op indirecte wijze de inlaatlucht naar de turbine zullen verwarmen. Het rendement van de uitvoeringswijze van 30 fig. 4 als een energieterugwinningssysteem, zoals bepaald door het vergelijken van de som van de warmte, die naar de smeltoven wordt teruggevoerd, en drie keer de opgewekte hoeveelheid elektrisché energie met de som van de warmte, die naar het warmte-terugwinningssysteem en de regelbrandstof 35 wordt toegevoerd, bedraagt 83.1 %.

Een andere uitvoeringswijze van de toepassing 8403763 * - 20 - van een regelbrander is in fig. 5 weergegeven, waar de brander 25 in de verbinding tussen de uitlaat van de warmtewisselaar en de inlaat van de turbine is aangebracht. Bij deze opstelling brandt de brander 25 direct in de uitvoer van de warmte-5 wisselaar, waarbij hij gebruik maakt van verbrandingslucht onder druk, teneinde in de stroming met een druk van 100 psi, die naar de turbine stroomt, binnen te komen. De verbrandings-produkten van de betrekkelijk schone uitlaat van de regelbrander zullen niet zo verontreinigend zijn., dat ze de wer-10 king van de turbine in belangrijke mate beïnvloeden. De uit voeringswijze van fig. 5 kan met een in hoofdzaak gelijke warmtébalans en met een gelijk rendement ten opzichte van fig. 4 werken.

De inlaattemperatuur van het gas naar de tur-15 bine bedraagt 1450ÓF en de uitlaatgas-temperatuur zal 750°- 800°F bedragen. Het opgewekte vermogen zal wederom 122 KWH/ ton bedragen, gericht op de uitvoeringswijze van fig. 4, waarbij de uitvoer van de regelbrander onderworpen is aan het rendement van de warmtewisselaar als gevolg van het gebruik 20 van afvoerlucht bij een temperatuur van 750°-800°F.

Onder verwijzing nu naar fig. 6 zal de uitvinding worden beschreven als zijnde toegepast op een groot formaat regenererende glassmeltoven van het type, waarbij de regeneratoren in primaire en secundaire regeneratoren zijn 25 verdeeld. Bij deze uitvoeringswijze wordt een smeltoven 26 door een zijpoort 27 met verbrandingslucht en brandstof gevoed, waarbij de uitlaat via een tegenovergelegen poort 28 geschiedt, welke naar een primaire regenerator 29 aan de rechterzijde voert. Een secundaire regenerator 30, die in de 30 praktijk over het algemeen beneden de bodem van de primaire regenerator is gepositioneerd en er volledig mee in verbinding staat, zou normaal gesproken de hete uitlaatgassen van de primaire regenerator opnemen en ze naar de uitlaatschoor-steen voeren, nadat er zoveel mogelijk warmte aan is ont-35 trokken, zonder de uitlaat tot beneden de 450°-500°F af te koelen. Bij deze uitvoeringswerkwijze van de onderhavige uit- 8403763 - 21 - vinding wordt een aanzienlijk gedeelte van de uitlaatgassen bij het punt van samenkomst van de primaire en de secundaire regenerator onttrokken door het kanaal 31 via de klep 32 naar een verzamelbuis 33, die naar een warmtewisselaar 34 leidt.

5 De verzamelbuis 33 voert de warmtebron- stroming naar de indirecte warmtewisselaar van het Brayton-cyclus-energieterugwinningssysteem en bezit een regelbrander of ruimtebrander 35, die er aan verbonden is. De ruimtebran-der 35 wordt gebruikt om de temperatuur van de uitlaatgas-10 sen tot ongeveer 1600°F te doen toenemen. De verzamelbuis 33 sluit aan op het primaire traject door de warmtewisselaar 34. De uitlaat van dit traject in de warmtewisselaar loopt door een klep in een leiding 36 en verbindt zich bij een T-stuk met de inlaat in de richting van een ventilator 37 met meer-15 dere snelheden, die naar de schoorsteen afvoert. Die gedeel ten van de uitlaatgassen van de primaire regenerator 29, die in de secundaire regenerator 30 komen, passeren via een om-keerklep 38 en dan door een klep in een leiding 39, die eveneens met de schoorsteentrek-ventilator 37 is verbonden.

20 Lucht uit de omgeving·, .met een temperatuur vein ongeveer 60 °F, treedt via een inlaatbuis 40 binnen in een compressor C. Hoewel de compressor C in de tekeningen op diagramatische wijze als een enkeltraps-compressor is weergegeven, dient men in gedachte te houden, dat de compressor 25 er in feite een is, die uit meerdere trappen bestaat teneinde het rendement te maximaliseren, terwijl hij. de vereiste hoge compressieverhouding verschaft. De trappen van de compressor zullen tussen de trappen van koeling zijn voorzien, teneinde de arbeid, die in de tweede trap is vereist, te reduceren.

30 Aldus redenerende kan de turbine van het meertrapstype zijn om het rendement te maximaliseren. De uitvoer van de compressor C gaat via een leiding 41, die zich tot het secundaire traject in de warmtewisselaar 34 uitstrekt, en komt daaruit vandaan met een temperatuur van ongeveer 1450°F en onder een 35 druk van 100 psi. Deze uitvoer van de warmtewisselaar gaat via een doorvoer 42, die in verbinding staat met de inlaat 8403763 - 22 - van een turbine T. De uitlaat van de turbine T gaat via een buis 43, die door een meet- en regelinrichting 44 loopt, die de lucht zal opmeten en de stroming door de andere zijde van de omkeerklep 38 zal regelen. De stroming door de klep 38 5 zal door de secundaire warmteterugwinningsregenerator 45 en van hieruit in de primaire regenerator 46 aan de linkerzijde gaan. De lucht, die door de leiding 43 uit de turbine T komt, zal een temperatuur bezitten van ongeveer 750-800°P en alle lucht, die de turbine T verlaat en meer is dan dat, wat voor 10 de verbranding benodigd is, kan via een aftakkende pijp 47 worden afgevoerd. Zoals hiervoor is uitgelegd, kan deze. af-voer worden gebruikt als een hetelucht-ruimteverwarmings-bron, aangezien de lucht schoon is en als schone hete lucht met een temperatuur van 750°-800°F kan worden benut.

15 Een tweede meet- en regelinrichting 48, die in samenwerking met de regeling 44 werkzaam is, dient voor de hoeveelheicfebepaling van omgevingslucht, die aan de ver-biandingslucht-voorverhittingszijde van de smeltoven naar de regeneratoren wordt toegevoerd. Zoals in fig. 6 is weerge-20 geven, zou dit de primaire 46 en secundaire 45 zijn, die de verbrandingslucht tot boven het niveau van 750°-800°F voorverhitten. De temperaturen van de lucht aan het boveneinde van de primaire 46 zullen ongeveer 2300°F bedragen, waarbij de uitlaatzijde 29 een temperatuur van ongeveer 2600°F be-25 zit. De temperatuur van het gas,-dat uit de rechter primaire komt, zal ongeveer 1400°F bedragen en, zoals hiervoor is uitgelegd, zal de temperatuur van het gas, dat uit de brander komt, en van het uitlaatgas, dat de warmtewisselaar 34 zal binnentreden, ongeveer 1600°F bedragen. De temperatuur vein 30 de uitlaat naar de schoorsteen zal in .het gebied tussen de 450° en 500°F liggen en het uitlaatgas·van de turbine zal, zoals hiervoor is uitgelegd, een temperatuur van 750°-800°F bezitten, en zoals in de voorgaande voorbeelden drijft de turbine zowel de compressor C als een generator 48 aan. De 35 bijzondere oven, die in fig. 6 is weergegeven, is een tegen woordige oven van een tamelijk groot formaat, die aan elke 8403763 * · - 23 - zijde zowel primaire als secundaire warmtetérugwinnings-kamers en op zodanige wijze een distributieruimte tussen deze twee bezit , dat verwarmd uitlaatgas kan worden onttrokken en in het warmtewisseiaarsysteem van de positieve druk Brayton-5 cyclus kan worden gebruikt om voorverwarmde lucht te produ ceren en elektriciteit op te wekken.

Een bijzonder voordeel van. deze uitvoeringswijze is, dat het voor de oven niet uitmaakt of de Brayton-cylus nu wel of niet werkzaam is. In het laatste geval pas-10 seert al het uitlaatgas door de secundaire regenerator. In beide gevallen kan de belading van de oven worden gehandhaafd, zonder dat dit extra brandstof kost. Verder maakt een oven, die reeds van secundaire regeneratoren is voorzien, een echt retrofit —vermogen voor het Brayton-cyclussysteem 15 mogelijk- Dat wil zeggen, dat de Brayton-cyclus toegevoegd kan worden, zonder dat het ovensysteem in belangrijke mate moet worden gewijzigd.

Onder verwijzing nu naar fig. 7 is daar de uitlaatgastemperatuur van de primaire regenerator uitgezet 20 tegen het volume uitlaatgas van de primaire regenerator, van die voor de Brayton-cyclus voor de oven\fig. 6 is onttrokken.

De verzameling krommes, die met 100°F, 450°F, 600°F en 750eF zijn aangegeven, corresponderen met de luchttemperatuur bij de inlaat naar de secundaire regenerator. Zodoende is uitlaat-25 gas met een temperatuur van 1275°F beschikbaar bij een lucht- inlaattemperatuur van 100°F bij het opstarten van de Brayton-cyclus van fig. 6, aangezien nog niets van het uitlaatgas is onttrokken. De 100°F-kromme. buigt bij een toename van het aan de afvalgassen van de primaire onttrokken volume in 30 benedenwaartse richting. Bij een onveranderlijke situatie zal de luchtuitlaat van het Brayton-cyclus terugwinsysteem in het gebied tussen de 750° tot 800°F liggen, hetgeen de temperatuur van de uitlaatlucht van de turbine weergeeft.

Deze lucht met een temperatuur van 750°-800°F wordt in de 35 secundaire van de aan de tegenovergestelde zijde gelegen regenerator toegevoerd en vervolgens door de primaire om de 8403763 - 24 - voorverhitte verbrandingslucht te verkrijgen. Maar, zoals het diagram met de lijn "a" weergeeft, wanneer het systeem wordt opgestart en de onttrekking groter is dan "0" doen de overgangseffecten van het toenemen van de secundaire lucht-5 inlaattemperatuur als gevolg van de turbine-uitlaattempera- tuur de balans ongeveer uitslaan in de richting van een neiging tot afname van de primaire uitlaattemperatuur, wanneer de onttrekking wordt vergroot, waardoor het punt "b" bij een onttrekkingstempo van 600M SCFH (standard cubic feet per 10 hour) wordt bereikt. Bij dit overgangspunt zal het systeem een vermogen van 460 KW produceren.

De oven van diagram 7 is zo ontworpen,dat hij werkt met een produktiecapaciteit van 340 ton gesmolten glas per dag met 25 % glasafval en waarbij de buitenlucht-15 temperatuur 60 °F bedraagt, en zijn'regeneratoren zullen zich bij zijn normale werking omkeren en bij iedere omkering zal de temperatuur van het uitlaatgas van de primaire regenerator en van de inlaatlucht (van de turbineuitlaat), toenemen,totdat een stabiele optimale toestand is bereikt bij punt "c", 20 waar de temperatuur van het uitlaatgas ongeveer 1400°F be draagt en de beschikbare warmte zal resulteren in een Brayton-cyclus energieterugwinningssysteem, dat een vermogen van 625 KW produceert.

Men heeft echter gevonden, dat een toename 25 van het onttrekkingsvolume tot 700M SCFH in feite resulteer de in een reductie van de uitvoer tot 620 KW, punt "d". Ook wanneer het onttrekkingsvolume tot 500M SCFH zou worden verminderd, zou het rendement terugvallen tot het punt, waar de uitvoer 425 KW zou bedragen, punt "e,r. Zodoende was de 30 600M SCFH het optimale onttrekkingsvolume voor dit oven- ontwerp en-werkniveau, en resulteerde het in de stabiele toe-stand-uitvoer van het systeem, dat in fig. 6 is weergegeven, en dat zonder regelbranderwerking 625 KW bedroeg.

De regelbrander werd vervolgens in het model 35 ingebracht alsof hij werd gestookt op een niveau van 2MM

BTü/uur en de toegenomen temperatuur van de verwarmde uitlaat 8403763 * - 25 - resulteerde in. een uitvoer van 900 KW, punt "f". Zodoende resulteerde de warmte-invoer van 2MM BTU/uur in een toegenomen vermogensuitvoer van 275 KW. De effectieve warmteverhouding voor de regelbrander was daarom 7273 BTü/KWH. Het rendement 5 volgens de eerste wet der thermodynamica van deze regelbran der is op 47 % bepaald, hetgeen aanzienlijk hoger is dan het rendement van de conventionele energie-opwekkingscentrales, die op hun best 35 % leveren.

Zo is te zien, dat de werking van de regel-10 brander om de uitlaattemperatuur te doen toenemen, hetgeen eveneens het benodigde verstoken van brandstof iii lichte mate kan reduceren, resulteert in een toename van vermogensuitvoer, waarbij de stapsgewijze toename van de vermogensuitvoer bij een warmteverhouding plaats vindt, die boven die van conven-15 tionele energiecentrales ligt.

De regelbrander kan deze extra warmte aan de grenzen van de materialen, waaruit de warmtewisselaar en dé turbine zijn opgebouwd, toevoegen.

Hoewel de voorgaande beschrijving drié uit-* 20 voeringswij zen van de uitvinding toegepast op een glassmelt oven verschaft, dient men in gedachte te houden, dat het hierin beschreven positieve druk Brayton-cyclusenergieterug-winningssysteem toegepast zou kunnen worden op elk hoge temperatuur^Lndustrieelproces, waarbij afvalwarmte ontstaat.

25 Het systeem van de uitvinding maakt gebruik van een hoog rendement gasturbine-compressorcombinatie, ontworpen voor een compressorrendement van meer dan 80 % en een turbinerendement van meer dan 85 % bij een turbine-inlaat-drukverhouding van dan meer^ 4 PP 1. Verder dient de temperatuur van de turbine-30 inlaat meer dan 1300 °F te bedragen en de luchtstroming door de compressorsectie overschrijdt de 10 lb.(m)/per seconde, waarbij een belangrijk gedeelte van de turbine-uitlaat wordt gebruikt als voorverwarmde verbrandingslucht.

In het systeem van de uitvinding is het, 35 wanneer de turbine en compressor van de Brayton-cyclus worden besproken, in termen van verwijzing naar een "hoog rendement 8403763 » f - 26- gas turbine" ontworpen voor en werkzaam onder omstandigheden, waarbij het netto compressorrendement meer dan 80 % bedraagt enhet netto turbinerendement meer dan 85 % bedraagt bij een turbine-inlaat-drukverhouding, die groter is dan 4 op 1.

5 8403763

Claims (14)

1. Werkwijze voor een glassmeltoven met terugwinning van een gedeelte van de warmte, die door de smelt-5 oven wordt uitgelaten, gekenmerkt door de stappen van het stoken van de smeltoven met een aantal branders via één of meer branderpoorten, een of meer uitlaatpoorten, aangebracht om de uitlaatgassen van de genoemde smeltoven op te nemen, het vanaf de genoemde smeltoven door een (primaire) regene-10 rator voeren van de uitlaatgassen om de warmte daarin op te slaan, het vanaf de regenerator door het primaire traject van een indirecte warmtewisselaar stromen van de uitlaatgassen bij een temperatuur van ongeveer 1350°F, het toevoegen van additionele warmte aan de gassen, die de warmtewisse-15 laar binnentreden, om de temperatuur ervan door gebruik te maken van een supplementaire brander tot ongeveer 1600°F te verhogen, het bij een temperatuur in het gebied van 450° tot 500°F vanaf de warmtewisselaar naar een uitlaatschoorsteen voeren van de afgewerkte gassen, het tot ongeveer 100 psig 20 samendrukken van omgevingslucht, het door het secundaire tra ject van de warmtewisselaar voeren van de samengedrukte lucht om de temperatuur van de samengedrukte lucht tot ongeveer 1450°F te verhogen, het expanderen van de verwarmde samengedrukte lucht in een turbine, die eveneens aan de com-25 pressor en aan een elektrische generator is gekoppeld, het bij een temperatuur van boven 750°F en onder atmosferische druk uit de turhine af laten van schone lucht, het als de voorverwarmde lucht voor de supplementaire brander gebruiken van een gedeelte van de uitgelaten lucht, het in een warmte- 30 opslagregenerator voeren van het saldo van de uitlaatlucht tot van de turbine om de temperatuur van de lucht ongeveer 2300°F te doen toenemen, het als de verbrandingslucht voor het stoken van de smeltoven gebruiken van deze voorverwarmde schone lucht, en het omkeren van de cyclus door het met regelmatige 35 tussenpozen omkeren van de stookzijde en uitlaatzijde van de smeltoven, terwijl een gedeelte van de afvalwarmte in de vorm 8403763 ' -28 - *· v v. van elektrische energie wordt teruggewonnen.

2. Werkwijze voor het terugwinnen van afvalwarmte uit een glassmeltoven van het regenererende type, dat aan de linker- en rechterzijde regeneratoren in een zijpoort- 5 of eindpoortconfiguratie bezit, gekenmerkt door de stappen van het bij een temperatuur van 1350°-1450°F uit de regenerator van één zijde onttrekken van de verwarmde uitlaatgassen, het laten werken van een regelbrander en het toevoegen van de uitlaatgassen van de regelbrander aan de uitlaatgassen van 10 de regenerator om de temperatuur van het uitlaatgas tot onge veer 1600°F te doen toenemen, het door het primaire traject van een indirecte warmtewisselaar voeren van de uitlaatgassen, het door het secundaire traject van de genoemde warmtewisselaar voeren van samengeperste lucht onder een druk van 15 100 psig, het naar de inlaat van een turbine van een positieve druk Erayton-cyclus Warmteterugwinnings Systeem voeren van de verwarmde samengedrukte lucht, het bij een temperatuur, die hoger is dan 750°F, aan het benedeneinde van de regenerator van de andere zijde aanvoeren van de turbine-uitlaat, 20 het bij een temperatuur van 450°F-500°F naar een uitlaat- schoorsteen voeren van de uitlaatgassen van de warmtewisselaar en het omkeren van de cyclus, wanneer het stoken van de oven normaal gesproken wordt omgekeerd, teneinde een continue uitvoer van gesmolten glas en elektrische energie uit de 25 Brayton-cyclus te produceren.

3. De werkwijze volgens conclusie 2, verder gekenmerkt door het uit de turbine-uitlaat afvoeren van een gedeelte van de voorverwarmde lucht teneinde de correcte hoeveelheid voorverwarmde verbrandingslucht naar de regenerator 30 toe te voeren.

4. De werkwijze volgens conclusie 3, geken- . merkt doordat de afgevoerde lucht wordt gebruikt voor ruimteverwarming .

5. Werkwijze voor het in elektrische energie 35 omzetten van afvalwarmte van een hoge temperatuur industrieel proces van het regenererende type, dat een paar regeneratoren 8403763 - 29_ bezit, gekenmerkt door de stappen van het uit het hoge tem-peratuurproces onttrekken van de verwarmde uitlaatgassen, het door één regenerator voeren van de uitlaatgassen, het bij een temperatuur, die hoger is dan 1300°F, toevoeren van 5 de uitlaatgassen uit de ene regenerator aan het primaire traject van de warmtewisselaar van een gemodificeerd, positieve druk Brayton-cyclus energieterugwinningssysteem, waar het warmtegehalte van de uitlaatgassen wordt overgèdragen aan de stroming van schone samengedrukte lucht van de com- 10 pressor voor het in de turbine binnenvoeren van de genoemde schone lucht, het bij een temperatuur, die hoger is dan 750°F, naar het benedeneinde van de regenerator van de andere zijde toevoeren van het grootste gedeelte van de tufbine-uitlaat, het bij een temperatuur in het gebied van 450° tot 15 500°F vanaf het primaire traject van de warmtewisselaar naar een uitlaatschoorsteen voeren van de uitlaatgassen, en het opwekken van elektrische energie met de turbine-compressor-aandrijving-uitvoer van de Brayton-cyclus.

6. De werkwijze volgens conclusie'5, geken- 20 merkt doordat de luchtstroming door de compressorsectie meer dan 10 lbs. per seconde bedraagt.

7. De werkwijze volgens conclusie 5, gekenmerkt doordat de genoemde compressiesectie uit een aantal trappen bestaat en waarbij de lucht tussen compressie- 25 trappen in wordt gekoeld teneinde daardoor de algehele uit voer van het systeem te doen toenemen.

8. De werkwijze volgens conclusie 5 verder gekenmerkt door de stap van het tot een niveau van ten minste 1450°F doen toenemen van de temperatuur van de inlaatlucht 30 naar de turbine.

9. De werkwijze volgens conclusie 8, gekenmerkt doordat de genoemde stap van het doen toenemen van de temperatuur van de lucht naar de turbine geschiedt door het stoken van een regelbrander, waarbij zijn uitlaatgassen 35 worden gekoppeld aan de uitlaatgassen, die in de warmtewisse laar binnentreden. 8403763 ' _ 30_ v

10. De werkwijze volgens conclusie 5, gekenmerkt doordat het hoge temperatuur industriële proces uit een glassmeltoven bestaat.

11. Een wamteterugwinning s systeem voor het 5 benutten van de afvalwarmte van een produktiehandeling, waarbij afvalwarmte wordt geproduceerd, en waarbij de verwarmde afvalgassen bij een temperatuur van meer dan 1400°F door een warmtewisselaar van een indirect verwarmde positieve druk Brayton-cyclus worden gevoerd, waarbij de verbetering 10 wordt gekenmerkt door een turbine-compressor-generator- combinatie van genoemde Brayton-cyclus, waarbij de drukver-houding van de turbine-inlaat groter is dan 4 op 1, en waarbij de genoemde compressor een meertrapscompressor is, die tussen zijn trappen tussen-koelmiddelen bezit, waarbij een 15 grotere vermogensuitvoer wordt bereikt met de genoemde Brayton-cycluseenheid, die meer warmte aan het afvalgas onttrekt .

12. Het systeem volgens conclusie 11, gekenmerkt doordat de genoemde compressoruitvoer onder een 20 druk staat van 100 psig bij een stromingsvolume van 10 lb(m) per seconde en dat de genoemde turbine de samengeperste lucht opneemt nadat deze door de warmtewisselaar is gevoerd, waarvan de energietoevoerstroming een temperatuur van 1600°F bezit, en de energie er.in in een asrotatie omzet. 25.

13. Het systeem volgens conclusie 12, geken merkt doordat de turbine-uitlaat onder atmosferische druk staat en een temperatuur van meer dan 750°F bezit.

14. Het systeem volgens conclusie 11, gekenmerkt doordat de afvalwarmtejproducerende produktiehande-30 ling een paar warmteregeneratoren bezit en elke regenerator is uitgerust met een primaire en secundaire sectie, middelen, die de warmtewisselaar van de Brayton-cyclus tussen de twee secties met de regenerator verbinden, en middelen voor het op selectieve wijze afleiden van de uitlaatgassen naar de secun-35 daire of de warmtewisselaar van de Brayton-cyclus, waarbij de werking van het hoge temperatuur industriële proces niet 8403763 -31 - * ·» 3 wordt verstoord of nu de secundaire sectie van de regenerator, of de Brayton-cyclus werkzaam is.- « 8403763