Schlüsselwörter
(Englisch)
|
Heat recovery, Electricity Harvesting, Thermoelectric converter (TEG), 50 kW, Concept study
|
Kurzbeschreibung
(Deutsch)
|
In Wärmeprozessen, wie bei Gießereien oder Stahlwerken, werden Öfen, Gieß-, Walzwerksanlagen und Produkte bei der Erstarrung und zur Abkühlung mit Wasserkreisen gekühlt. Durch ein integrales TEG-Modul soll ein Teil der Wärmeenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. TEG-Elementmodule sollen auf der heissen Seite direkt mit Wasser, Gasen oder durch Strahlung beaufschlagt werden. Die Studie soll aufzeigen unter welchen Bedingungen kommerzielle TEG-Module zu einem 50 kW Modul verschaltet und energetisch rentabel zur Rückgewinnung von elektrischer Energie betrieben werden können.
|
Kurzbeschreibung
(Englisch)
|
In heat loaded processes, like foundries, or steelworks, furnaces, casting installations, rolling mills and products during solidifications and cooling down, are cooled with water circuits. With an Integral TEG-Modul, part of the heat energy is transformed directly into electrical energy. The element TEG-Moduls are loaded on the hot side directly with hot water, gas or through radiation. TEG-elements are arranged to a 50kW integral modul.
|
Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
|
Projektziele sind die Erarbeitung eines Konzeptes und des Engineerings auf Basis einer Machbarkeitsstudie für ein integrales 50kW TEG-Modul, unter Verwendung von bevorzugt kommerziell erhältlichen TEG-Modulen, für die direkte Rückgewinnung von elektrische Energie aus Wärmeenergie im Umfeld der Schwerindustrie, respektive einer Giesserei oder einem Stahlwerk.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Main GmbH
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Marti,Heinrich
Heel,Andre
Zugehörige Dokumente
|
Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
|
In the field of steel processing, such as steel works or foundries, huge amounts of waste heat arise from steel processing in furnaces, casting installations or in rolling mill equipment. On base of these applications it is shown, how unused waste heat can be recuperated and which conventional strategies already exist for this purpose. However, the investment amount for such systems is substantial and the time for the return of investment is still too long for this industry branch.
The aim of this feasibility study was to investigate, if commercially available thermoelectric converter (TEC) modules are suitable to recuperate electricity from waste heat. On base of single TECs (<10W) up to small systems (<1kW), fundamental aspects, materials and resulting possibilities and applications are discussed and an integrated concept is presented. Furthermore, the necessary engineering of commercially available modules for modular 1kW system is elaborated, which can be scaled up to the aimed 50kW system.
The presented system solution comprises 19 single 1kW modules and represents a compromise between system size, module efficiency and controllable engineering. To reach the target aim of 50kW, three of such systems have to be combined.
The fundamentals for the selection of materials and modules, heat transfer, cooling, serial or parallel electrical connections, thermodynamic possibilities for the system dimensioning, planning, and assessment as well as safety precautions and thermomechanical considerations are described and evaluated. On base of this a commonly applicable simulation a tool is set up, from which the properties of TEC modules can be simulated.
Under consideration of commercially available state-of-the-art TEC modules, waste heat recovery from watercooling circuits with temperature differences in the range of 100°C are not efficient enough to fulfill industrial expectations. This feasibility study was therefore focusing on the application of a hot gas on the hot side and and a cooling liquid (water) on the cold side, to reach a higher temperature difference across the TEC modules. For reaching a homogeneous, but at the same time high heat conversion, in our design a staggered honeycomb structure is applied.
Finally, a judgement about the possible application in terms of a large scale TEC system for the recuperation of waste heat is given, together with thoughts on subsequent costs of such installations.
|
Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
|
Dans les domaines de l’usinage de l’acier tels que la siderurgie et la fonderie, d’énormes quantités d’energie sont dissipées lorsque l’acier est realisé dans des fours ainsi que par les procedes de coulée et de laminage. Afin de récupérer l’énergie dissipée, des techniques ont été développées. Néanmoins, le coût de ces systèmes reste trop élevé et le temps pour amortir l’investissement est trop long pour être viable dans ce domaine de l’industrie.
L’objection de cette étude est d’évaluer si les modules convertisseurs thermoélectriques (CTE) sont appropriés pour générer de l’électricité à partir de la chaleur dissipée dans l’industrie de l’acier. L’étude porte sur plusieurs CTE allant des modules singuliers (<10W) jusqu’aux des petits systèmes (<1kW) en prenant en compte leurs aspects théoriques, les matériaux qui les composent et leurs applications potentielles. Une discussion autour de ces aspects a été mise en place et un concept intégrant les principaux critères y est présenté. D’autre part, une étude d’ingénierie portant sur les modules commerciaux disponibles de 1kW a été réalisée et a montré qu’il était possible d’élever la puissance du système jusqu’à 50kW comme désirée.
La solution présentée est un système qui comprend 19 modules de 1kW, ce qui représente un compromis entre la taille du système, le rendement des modules et l’ingénierie de contrôle. Trois de ces systèmes pourront être mis ensemble de façon à atteindre la puissance désirée de 50kW. Les caractéristiques fondamentales pour la sélection des matériaux et des modules, le transfert de chaleur, le refroidissement, les connections électriques en série ou en parallèle, les aspects thermodynamiques pour le dimensionnement du système et sa planification ont été évalués et décrits, tout comme les considérations thermomécaniques et les précautions de sécurité. Grâce à cette étude, un outil de simulation a été réalisé permettant de simuler les propriétés des modules CTE.
Considérant l’état de l’art des modules CTE disponibles dans le commerce, la conversion de l’énergie issue des circuits de refroidissement avec une différence de température proche de 100°C ne rempli pas les critères pour une application industrielle. Cette étude a alors été orientée vers l’application d’un gaz chaud dans la partie à haute temperature du dispositif et d’un liquide de refroidissement (de l’eau) dans la partie froide, afin d’augmenter la différence de température des modules CTE. Pour atteindre une conversion à haute température et en même temps homogène, une structure formée d’alvéoles hexagonales, semblable aux nids d’abeille, est prévu.
Une recommandation sur l’éventuelle application à grande échelle d’un système CTE pour la récupération de chaleur issue de l’industrie est présentée ainsi que le calcule des coûts marginaux d’une telle installation.
|
Schlussbericht
(Deutsch)
|
In Wärmeprozessen wie z.B. in Stahlwerken und Giessereien, fallen bei Öfen, Gieß-, und Walzwerkanlagen grosse Mengen von Abwärme an. Anhand dieser Beispiele wird auf verschiedenen Ebenen aufgezeigt, wo die zur Zeit meist ungenutzten Abwärmeströme rekuperiert werden könnten und welche Pilotprojekte zur Rekuperation von grossen Abwärmeströmen in der Stahlindustrie bereits existieren. Die Investitionen in solche Anlagen sind jedoch so substanziell, dass eine Rückführung der Investitionskosten für die Betreiber noch zu lange dauern.
Im Rahmen dieser Machbarkeitsstudie wurde deshalb untersucht, inwiefern derzeit kommerziell erwerbbare thermoelektrische Generatoren (TEG) dafür geeignet sind, einen Teil der anfallenden Abwärmeenergie direkt in elektrische Energie zu wandeln. Auf Basis von einzelnen TEG-Modulen (
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Main GmbH
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Diverse gem. Bericht,
Zugehörige Dokumente
|
Schlussbericht
(Englisch)
|
In the field of steel processing, such as steel works or foundries, huge amounts of waste heat arise from steel processing in furnaces, casting installations or in rolling mill equipment. On base of these applications it is shown, how unused waste heat can be recuperated and which conventional strategies already exist for this purpose. However, the investment amount for such systems is substantial and the time for the return of investment is still too long for this industry branch.
The aim of this feasibility study was to investigate, if commercially available thermoelectric converter (TEC) modules are suitable to recuperate electricity from waste heat. On base of single TECs (
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Main GmbH
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Diverse gem. Bericht,
|
Schlussbericht
(Französisch)
|
Dans les domaines de l'usinage de l'acier tels que la siderurgie et la fonderie, d'énormes quantités d'energie sont dissipées lorsque l'acier est realisé dans des fours ainsi que par les procedes de coulée et de laminage. Afin de récupérer l'énergie dissipée, des techniques ont été développées. Néanmoins, le coût de ces systèmes reste trop élevé et le temps pour amortir l'investissement est trop long pour être viable dans ce domaine de l'industrie.
L'objection de cette étude est d'évaluer si les modules convertisseurs thermoélectriques (CTE) sont appropriés pour générer de l'électricité à partir de la chaleur dissipée dans l'industrie de l'acier. L'étude porte sur plusieurs CTE allant des modules singuliers (
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Main GmbH
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Diverse gem. Bericht,
|
