anlagen zur wärmerückgewinnung und 3.4.1 3.4.2 3.4.3 · pdf filequelle: recknagel,...
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3 Ausgewählte Energietechniken 264
3.4 Anlagen zur Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung
3.4.1 Grundlagen
3.4.2 Technische Lösungen
3.4.3 Brüdenverdichter
3.4.4 ORC-Prozess
3.4.5 Wärmetransformatoren
3 Ausgewählte Energietechniken 265
3.4.1 Grundlagen
3 Ausgewählte Energietechniken 266
Definition Wärmerückgewinnung
Quelle: IER
Wärmerückgewinnung (WRG) steht als Oberbegriff über den verschiedenenMöglichkeiten, anfallende Abwärme einer weiteren Verwendung zuzuführen.
• Abwärmenutzung ist die Teilmenge der WRG, die durch Wärmeübertragung ohne Exergiezufuhr, jedoch in der Regel unter Einsatz von Hilfsenergie durchgeführt werden kann.
• Aufwertung von Abwärme durch gezielte Exergiezufuhr zum Zweck derTemperaturerhöhung, z. B. durch Wärmepumpen, wenn als Wärmequelle Wärme aus Massenströmen verwendet wird, die das System verlassen.
Wärmerückgewinnung in raumlufttechnischen (RLT)-Anlagen
Wärmerückgewinnung ist eine Maßnahme zur Mehrfachnutzung der Enthalpie der ein Gebäude bzw. einen Prozess verlassenden Massen-ströme. Dazu werden wärmeaustauschende Apparate eingesetzt.
Umluftbetrieb ist keine Wärmerückgewinnung im Sinne dieser Richtlinie, ebenso nicht die Auskopplung von Wärme für einen anderen, nicht raumlufttechnischen Prozess.
Die Wärmepumpe ist nur dann ein Wärmerückgewinner, wenn zur Rück-gewinnung Wärme aus einem der die Systeme verlassenden Massen-ströme verwendet wird.
Quelle: VDI 2071
3 Ausgewählte Energietechniken 267
Begriffe
Abwärme
Abwärme ist die aus energetischen (z.B. raumlufttechnischen) Prozessen an definierten Stellen des Systems in einem Stoffstrom (z.B. Luftstrom) abgeführte sensible und/ oder latente Wärme.
Umwärme
Umwärme ist der Teil der Abwärme, der innerhalb des Systems mit dem-selben Wärmeträger umgewälzt wird (z.B. die in einer raumlufttechni-schen Anlage mit der Umluft umgewälzte Wärme).
Quelle: VDI 2071
Wärmerückgewinnungssystem (Systembild)
Quelle: VDI 2071
11 Fortluftzustand vor Eintritt in den Wärmerückgewinner12 Fortluftzustand nach Austritt aus dem Wärmerückgewinner21 Außenluftzustand vor Eintritt in den Wärmerückgewinner22 Außenluftzustand nach Austritt aus dem Wärmerückgewinner
3 Ausgewählte Energietechniken 268
Begriffe
Fortwärme
Fortwärme ist der Teil der Abwärme, der alle nicht nutzbaren und nicht durch WRG genutzten Wärmemengen umfasst. Fortwärme kann jedoch, sofern sie erfassbar ist, noch genutzt werden.
Rückwärme
Rückwärme ist jener Teil der Abwärme, der durch WRG in dasselbe System unter Wechsel des Wärmeträgers zurückgeführt wird (z.B. von der Fortluft zur Außenluft).
Quelle: VDI 2071
Begriffe
Wärmerückgewinner
Als Wärmerückgewinner werden wärmeaustauschende Apparate ein-schließlich der zu ihrer Funktion erforderlichen Bauteile bezeichnet, mit denen ein Teil der Abwärme als Rückwärme dem System wieder zuge-führt wird. Bei raumlufttechnischen Systemen erfolgt die Übertragung zwischen Fortluft- und Außenluftstrom.
Quelle: VDI 2071
3 Ausgewählte Energietechniken 269
Rückwärmzahlen Φ
Φ1 = , Φ2 = mit Temperatur t in °C
Φ1 ist die aus der Abluft gewonnene Rückwärme bezogen auf das Außenlufttemperaturniveau.Φ2 ist die von der Zuluft aufgenommene Rückwärme bezogen auf das Außenlufttemperaturniveau.
t11 – t12
t11 – t21
t11 – t12
t11 – t21
t22 – t21
t11 – t21
t22 – t21
t11 – t21
Kenngrößen für Wärmerückgewinner (1)
Quelle: VDI 2071
Rückfeuchtzahlen Ψ
Ψ1 = , Ψ2 = mit Feuchtegehalt x in g/kg
Ψ1 ist die aus der Abluft übertragene Feuchte bezogen auf das Feuchteniveau der Außenluft.Ψ2 ist die von der Zuluft aufgenommene Feuchte bezogen auf das Feuchteniveau der Außenluft.
x11 – x12
x11 – x21
x11 – x12
x11 – x21
x22 – x21
x11 – x21
x22 – x21
x11 – x21
Kenngrößen für Wärmerückgewinner (2)
Quelle: VDI 2071
3 Ausgewählte Energietechniken 270
Wichtige Parameter für die Wärmerückgewinnung
Quelle: IER
• Temperaturen von Abwärme und Wärmebedarf
• Stoffstrom/Trägermedium
• Prozeßparameter (Druck, Temperatur, Massenstrom)
• zeitlicher Verlauf von Abwärmeanfall und Wärmebedarf
3 Ausgewählte Energietechniken 271
3.4.2 Technische Lösungen
3 Ausgewählte Energietechniken 272
Technische Systeme zur Wärmerückgewinnung
Quelle: IER
Abwärmenutzung wird meist mit Hilfe folgender Elemente und Systeme durchgeführt:• Wärmetauscher• Wärmerohre• Regeneratoren (meist Rotationswärmetauscher oder Kapillarventilatoren)• WärmeübertragungsanlagenDie Aufwertung von Abwärme kann mit• Kompressionswärmepumpen,• Brüdenverdichtern,• Sorptionswärmepumpen und• Wärmetransformatorenrealisiert werden.In Sonderfällen wird Abwärme auch in mechanische Arbeit umgewandelt. Dies kann mit Hilfe von ORC-Kraftwerken oder einem Abhitzekessel und einem Dampfkraftprozeß erfolgen.
Quelle: IER
Einkreis-Wärmeübertragungsanlage
Vorlauf
Rücklauf
Abwärmequelle Wärmeverbraucher
TWV, e
TWV, a
TAQ, a
TAQ, e
3 Ausgewählte Energietechniken 273
Abwärmequelle Wärmeverbraucher
TWV, e
TWV, a
TAQ, a
TAQ, e
Quelle: IER
Zweikreis-Wärmeübertragungsanlage mit Nacherhitzer undKühleinrichtung
Mischrohr
Kühleinrichtung
Nacherhitzer
WWV
WAQ
Abwärmeverwertung bei Öfen und Feuerungen
Quelle: Recknagel, Sprenger, Hönmann
Ofenart Ofentemperatur [°C] Abgastemperatur [°C]
Hochöfen 1600 ... 1800 200 ... 400 hinter WinderhitzerSchmelzöfen
SM-Öfen 1700 ... 1800 400 ... 700 hinter RegeneratorGlasöfen 1300 ... 1500 900 ... 1300 (ohne Regenerator)
600 ... 800 hinter RegeneratorKupolöfen 400 ... 1000
WärmöfenStoß- und Rollenöfen 1200 ... 1600 700 ... 1200 (ohne Regenerator)
300 ... 600 hinter RegeneratorSchmiedeöfen 1150 ... 1300 1000 ... 1200 (ohne Regenerator)
400 ... 600 hinter RegeneratorKoksöfen 900 ... 1200 250 ... 300 hinter Regenerator
Gaswerksöfen 900 ... 1200 400 ... 700 hinter RegeneratorBrennöfen
keramische Industrie 800 ... 1200 150 ... 200 Vorfeuer500 ... 1000 Scharffeuer
Drehrohröfen für Zement 1300 ... 1400 400 ... 600Glühöfen 800 ... 1100 600 ... 700
3 Ausgewählte Energietechniken 274
Quelle: IER
Auskopplung von Abwärme aus industriellen Prozessen
Nutzung von Abwärme hinter Hochöfen
Koks, Erzzuschlag
Roheisen
Gichtgas
Luft
300 °C 150 °C
QNutz
Quelle: IER
Auskopplung von Abwärme aus industriellen Prozessen
Nutzwärmeauskopplung bei der trockenen Kokskühlung
QNutz
Koksofen
Kohle heißer Koksgekühlter Koks
Inertgas
500 °C 100 °C
3 Ausgewählte Energietechniken 275
Quelle: IER
Auskopplung von Abwärme aus industriellen Prozessen
Wärmeauskopplung bei exothermen Reaktionen
QNutz
400 °C
Quelle: Kugeler, Phlippen
Auskopplung von Abwärme aus industriellen Prozessen
Auskopplung von Wärme aus einer mehrstufigen Verdichterschaltung
QNutz
QNutz
20 °C
20 °C 20 °C150 °C
150 °C
3 Ausgewählte Energietechniken 276
Luftvorwärmung und Abhitzenutzung bei Industrieöfen
Brennstoffersparnis durch Luftvorwärmung in Abhängigkeit von Abgas- und Verbrennungslufttemperatur bei Verwendung von Erdgas (λ = 1,05)
Bre
nnst
offe
rspa
rnis
in %
Verbrennungslufttemperatur in ° C
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400
600800
1 0001 200
1 4001 500
1 600
Abgas-temperaturin °C
Quelle: Kugeler, Phlippen
Quelle: Kugeler, Phlippen
Luftvorwärmung und Abhitzenutzung bei Industrieöfen
Funktionsschema
*
Nutz-wärme
Abgas
T3
T1
T2
mM, TA
Brennstoff
MaterialmM, TE
mB TLmB TL
Luft mL, Tu
Luft mL, Tu
3 Ausgewählte Energietechniken 277
3.4.3 Brüdenverdichter
3 Ausgewählte Energietechniken 278
Grundlagen der Brüdenverdichtung
Quelle: IER
Als Brüden wird in der Verfahrenstechnik der Dampf einer Flüssigkeitbezeichnet. Der Begriff Brüden wird im wesentlichen im Zusammenhang mit der
• Destillation, • dem Eindicken und • dem Kochen von Produkten (Flüssigkeiten)
(s. Würzekochung in der Sudpfanne)
verwendet.
Grundlagen der Brüdenverdichtung
Quelle: IER
Die Brüdenverdichtung ist ein offener Wärmepumpenprozeß, weil der Brüden die Wärmepumpe nur einmal durchläuft und dann an die Umgebung abgegeben wird.Anwendungsmöglichkeiten für Brüdenkompression ergeben sich vielfach in derNahrungsmittelindustrie zur Eindickung von Produkten wie z. B. Milch, Fruchtsäftenusw.. Dabei ist es oft notwendig, die Verdampfung bei niedrigen Temperaturen(Vakuumverdampfung bei ca. 30 bis 50 °C) vorzunehmen, um die Qualität des Produktes nicht zu mindern. Durch das tiefe Temperaturniveau sind konkurrierendeMaßnahmen zur Energieeinsparung, z. B. Abwärmenutzung zur Gebäudebeheizung, stark eingeschränkt, so daß die Brüdenverdichtung das optimale System zur Energiekostensenkung ist.Dadurch, daß der Brüden auch Arbeitmedium ist, ist man bei der Anwendung nichtan den Einsatztemperaturbereich (Stabilitätsprobleme) üblicher Kältemittelgebunden. Möglich ist der Einsatz der Brüdenverdichtung für die Destillation undEindampfung der verschiedensten Produkte für Temperaturen bis über 200 °C.
3 Ausgewählte Energietechniken 279
Brüdenverdichtung mit mechanischem Kompressor
Quelle: IER
Einsatz
Destillat flüssiges Kondensat Konzentrat
Heizschlangen
Verdichter
Brüden
Quelle: IER
Prinzip einer Eindampfungsanlage mit mechanischer Brüdenkompression
Der Verdichter saugt die Brüden aus dem Eindampfungsgefäß ab und verdichtetsie. Die verdichteten Brüden kondensieren in der Heizschlange. Durch die dabeifreiwerdende Wärme wird das Produkt weiter eingedampft. Durch die direkteVerwendung der Brüden als Arbeitsmittel kann das System zwischen derwärmeabführenden Seite (Ansaugung der Brüden) und der wärmezuführendenSeite (Kondensation der Brüden in der Heizschlange) mit kleinenTemperaturdifferenzen arbeiten, womit der für den Verdichter notwendigeArbeitsaufwand klein ist.
3 Ausgewählte Energietechniken 280
Fließbild eines Brüdenverdichters am Beispiel einerWasserdestillation
Quelle: IER
WT 1
WT 2
WT 3
Frischwasser 10 °C, 10 000 kg/h destill. Wasser 35 °C, 9 500 kg/h
Abwasser500 kg/h
Heizdampf
1,7 bar, 115 °C
1,013 bar, 100 °C, 9 500 kg/h1,691 bar, 115 °C
1,013 bar
100 °C
115 °C100 °C
86,2 °C
92,8 °C
Grundlagen der Brüdenverdichtung
Quelle:Kugeler, Phlippen
1: Kompressor2: Verdampfer3: Rekuperator
M1
2
3
Brüdendampf
einzudampfendeLösung
Destillat konzentrierte Lösung
T, pp + ΔpT + ΔT 1
2
3
4
T, p
p + Δp
ΔT
T
s
2
4
1
3
T-s-DiagrammBrüdenverdichtung
Grundlagen der Brüdenverdichtung
Quelle:Kugeler, Phlippen
1: Kompressor2: Verdampfer3: Rekuperator
1: Kompressor2: Verdampfer3: Rekuperator
MM1
2
3
Brüdendampf
einzudampfendeLösung
Destillat konzentrierte Lösung
T, pp + ΔpT + ΔT 11
2
3
44
T, p
p + Δp
ΔT
T
s
2
4
1
3
T, p
p + Δp
ΔT
T
s
2
4
1
3
T-s-DiagrammBrüdenverdichtung
3 Ausgewählte Energietechniken 281
Quelle: IER
Fließbild eines Brüdenverdichters am Beispiel einerWasserdestillation
Der Verdichter saugt den entstehenden Wasserdampf bei der Siedetemperatur von 100 °C und bei einem Druck von 1,013 bar an und verdichtet ihn auf 1,691 bar. DerWasserdampf kondensiert entsprechend dem Druck von 1,691 bar in der Heizschlangebei 115 °C, so daß die freiwerdende Kondensationswärme zur weiteren Verdampfungdes Wassers der Destillationseinheit zugeführt wird. Ein Teilstrom des verdichtetenDampfes wird über einen Wärmetauscher (WT 2) ebenso wie das heiße Kondensatüber einen Wärmetauscher (WT 1) zur Vorwärmung des Frischwassers genutzt. DerWärmetauscher WT 3 wird zur Vorwärmung des Frischwassers auf Siedetemperaturbenötigt. Mit den oben angegebenen Daten arbeitet der Brüdenverdichter zwischeneiner oberen Prozeßtemperatur von 388 K und einer unteren Prozeßtemperatur von373 K, womit die Carnot-Leistungszahl εC = 25,9 beträgt, d. h. mit einer Verdichtungsarbeit von 1 kWh können theoretisch 25,9 kWh Heizwärme zur Wasserverdampfung bereitgestellt werden. In der Praxis müssen natürlich Verluste in Kauf genommen werden. Schätzt man den Gütegrad des Systems auf ηg = 0,5, so wird eine Leistungszahl von 13 erreicht.
3 Ausgewählte Energietechniken 282
3.4.4 ORC-Prozeß
3 Ausgewählte Energietechniken 283
Funktionsprinzip von ORC-Anlagen
Quelle: Kugeler, Phlippen
ORC (Organic Rankine Cycle) -Anlagen können eingesetzt werden, um industrielle Abwärmen in Temperaturbereichen von 100 °C bis 400 °C zur Stromerzeugung auszunutzen. Als Kreisprozessmedium wird nicht Wasser verwendet, sondern organische Stoffe, beispielsweise Kohlenwasserstoffe oder auch andere Kältemittel. Im einzelnen läuft ein derartiger Prozess ähnlich einem Dampfkraftprozess ab. Im Erhitzer wird die Abluft aus industriellen Prozessen zur Verdampfung des Arbeitsmittels eingesetzt. In der anschließenden Expansionsmaschine wird mechanische Energie gewonnen, die einen Generator antreibt. Nach Kondensation und Druckerhöhung ist der Kreislauf geschlossen. Die elektrischen Wirkungsgrade derartiger Prozesse liegen zwar nur bei 10 bis 20 %, allerdings kann so sonst ungenutzte industrielle Abwärme auf niedrigem Temperatur-niveau zur Stromerzeugung verwendet werden.
Schaltbild ORC-Prozess (optional mit Rekuperator)
Quelle: Recknagel, Sprenger, Hönmann
G
Abluft
1
Verdampfer Expansions-maschine
Kondensator
Pumpe
2
Rekuperator3
4
5
6
Schaltbild ORC-Prozess (optional mit Rekuperator)
Quelle: Recknagel, Sprenger, Hönmann
G
Abluft
1
Verdampfer Expansions-maschine
Kondensator
Pumpe
2
Rekuperator3
4
5
6
3 Ausgewählte Energietechniken 284
Daten von Arbeitsmedien für ORC-Kreisläufe (Auswahl)
Quelle: IER
Medium Chem.Formel
MolareMasse
[kg/kmol]
krit.Temp.[°C]
krit.Druck[bar]
max. zul.Temp.[°C]
Dampfdruck(30°C)[bar]
spez. Sattdampf-volumen (30°C)
[m³/kg]
Anmer-kung
R134a C2H2F4 102,03 101,1 40,6 k. A. k. A. k. A.
Ammoniak NH3 17,03 132,4 113,0 200 11,10 0,11 brennbar,toxisch
R600a (Isobutan,Methylpropan) C4H10 58,12 134,7 36,4 250 4,08 0,1 brennbar
Isopentan(Methylbutan) C5H12 72,15 187,8 33,3 k. A. 79,3
(bei 20°C) k. A. brennbar
Isooktan(Trimethylpentan) C8H18 114,23 270,8 25,6 k. A. 5,1
(bei 20°C) k. A. brennbar
Fluorinol 100 CF3C-H2OH 100,04 226,7 49,3 320 0,16 0,2 brennbar
Toluol C7H8 92,14 318,6 40,6 350 0,05 5,0 brennbar,toxisch
R718 (Wasser) H2O 18,02 374,2 221,2 werkstoff-bedingt 0,05 33
Zunehmender Einsatz von Silikonöl als Arbeitsmedium (Tmax ca. 250°C)
Höh
ere
Abw
ärm
etem
pera
tur
ORC-Prozess im T-s-Diagramm
Quelle: Recknagel, Sprenger, Hönmann
Wärmequelle (Abwärmestrom)
Kühlmedium
Arbeitsmedium
6
5
4
3
2
1
Tem
pera
tur T
Entropie s
Δ Tmin
Δ Tmin
ORC-Prozess im T-s-Diagramm
Quelle: Recknagel, Sprenger, Hönmann
Wärmequelle (Abwärmestrom)
Kühlmedium
Arbeitsmedium
6
5
4
3
2
1
Tem
pera
tur T
Entropie s
Δ Tmin
Δ Tmin
3 Ausgewählte Energietechniken 285
3.4.5 Wärmetransformatoren
3 Ausgewählte Energietechniken 286
Grundprinzip der Wärmetransformation
Quelle: IER
T
sQNutzQ0 QU
TU
TNutz
Ezu
ENutz
+
Wärmetransformator
Quelle: Stephan, 1988
Als Wärmetransformator werden Anlagen bezeichnet, die Wärme bei mittlererTemperatur aufnehmen und diese zum einen auf hohem Temperaturniveau(Nutzwärme), zum anderen auf dem Temperaturniveau der Umgebung wiederabgeben. Sie benötigen nur wenig mechanische oder elektrische Energie. Siearbeiten damit (von dem Temperaturniveau der zu- und abgeführtenWärmeströme her gesehen) andersherum als thermische Wärmepumpen(siehe Abbildung).
Tem
pera
tur T
therm. Wärmepumpe Wärmetransformator
Q0
Qz
QNutz Q0
QNutz
QU
3 Ausgewählte Energietechniken 287
Quelle: IER
Wärmetransformator
Absorber
P
Austreiber
P
hoch
mittel
niedrig
Tem
pera
tur
Nutzwärme
Lösungsmittel-kreislauf
Verdampfer
Antriebs-wärme
Kondensator
AbwärmeKältemittelkreislauf
Wärmetransformator: Arbeitsstoffe
Quelle: Stephan, 1988
• Ammoniak/Wasser (NH3/H2O) klassisches Arbeitsstoffgemisch für AbsorptionskälteanlagenNachteile:
• hohe Drücke
• Wasser/Lithiumbromid (H2O/LiBr)Nachteile:
• begrenzte Mischbarkeit• nicht für t < 0 °C• hohes spezifisches Volumen
• Trifluorethanol/Tetrathylenglykol-dimethylether (TFE/E 181)
3 Ausgewählte Energietechniken 288
Wärmetransformator
Quelle: IER
• Anwendungspotential hoch• hohe Investitionskosten• gleichmäßige Nutzwärmeabnahme erforderlich• Absorber und Austreiber noch verbesserungswürdig•
Wärmeverhältnis = = 0,4 bis 0,5(bei ΔT = 50 K und Temperaturder zugeführten Wärmezwischen 80 und 90 °C)
• Gütegrad 0,4 bis 0,6
NutzwärmezugeführteWärme