+ Wärmetransformator
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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 3.4.1 Grundlagen 265 266 3 Ausgewählte Energietechniken Definition Wärmerückgewinnung Wärmerückgewinnung (WRG) steht als Oberbegriff über den verschiedenen Möglichkeiten, 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 der Temperaturerhöhung, z. B. durch Wärmepumpen, wenn als Wärmequelle Wärme aus Massenströmen verwendet wird, die das System verlassen. Quelle: IER Wärmerückgewinnung in raumlufttechnischen (RLT)-Anlagen Wärmerückgewinnung ist eine Maßnahme zur Mehrfachnutzung der Enthalpie der ein Gebäude bzw. einen Prozess verlassenden Massenströme. 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 Rückgewinnung Wärme aus einem der die Systeme verlassenden Massenströme verwendet wird. Quelle: VDI 2071 3 Ausgewählte Energietechniken 267 Wärmerückgewinnungssystem (Systembild) 11 Fortluftzustand vor Eintritt in den Wärmerückgewinner 12 Fortluftzustand nach Austritt aus dem Wärmerückgewinner 21 Außenluftzustand vor Eintritt in den Wärmerückgewinner 22 Außenluftzustand nach Austritt aus dem Wärmerückgewinner Quelle: VDI 2071 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 demselben Wärmeträger umgewälzt wird (z.B. die in einer raumlufttechnischen Anlage mit der Umluft umgewälzte Wärme). Quelle: VDI 2071 268 3 Ausgewählte Energietechniken 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 einschließlich der zu ihrer Funktion erforderlichen Bauteile bezeichnet, mit denen ein Teil der Abwärme als Rückwärme dem System wieder zugeführt wird. Bei raumlufttechnischen Systemen erfolgt die Übertragung zwischen Fortluft- und Außenluftstrom. Quelle: VDI 2071 3 Ausgewählte Energietechniken 269 Kenngrößen für Wärmerückgewinner (1) Rückwärmzahlen Φ Φ1 = t11 – t12 t11 – t21 , Φ2 = t22 – t21 t11 – t21 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. Quelle: VDI 2071 Kenngrößen für Wärmerückgewinner (2) Rückfeuchtzahlen Ψ Ψ1 = x11 – x12 x11 – x21 , Ψ2 = x22 – x21 x11 – x21 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. Quelle: VDI 2071 270 3 Ausgewählte Energietechniken Wichtige Parameter für die Wärmerückgewinnung • Temperaturen von Abwärme und Wärmebedarf • Stoffstrom/Trägermedium • Prozeßparameter (Druck, Temperatur, Massenstrom) • zeitlicher Verlauf von Abwärmeanfall und Wärmebedarf Quelle: IER 3 Ausgewählte Energietechniken 3.4.2 Technische Lösungen 271 3 Ausgewählte Energietechniken 272 Technische Systeme zur Wärmerückgewinnung Abwärmenutzung wird meist mit Hilfe folgender Elemente und Systeme durchgeführt: • Wärmetauscher • Wärmerohre • Regeneratoren (meist Rotationswärmetauscher oder Kapillarventilatoren) • Wärmeübertragungsanlagen Die Aufwertung von Abwärme kann mit • Kompressionswärmepumpen, • Brüdenverdichtern, • Sorptionswärmepumpen und • Wärmetransformatoren realisiert 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 TAQ, TWV, e a Abwärmequelle TAQ, Wärmeverbraucher e TWV, a Rücklauf Quelle: IER 3 Ausgewählte Energietechniken 273 Zweikreis-Wärmeübertragungsanlage mit Nacherhitzer und Kühleinrichtung WAQ TAQ, a Abwärmequelle TAQ, e Nacherhitzer Mischrohr TWV, e Wärmeverbraucher TWV, a Kühleinrichtung WWV Quelle: IER Abwärmeverwertung bei Öfen und Feuerungen Ofenart Hochöfen Schmelzöfen SM-Öfen Glasöfen Kupolöfen Wärmöfen Stoß- und Rollenöfen Ofentemperatur [°C] 1600 ... 1800 200 ... 400 hinter Winderhitzer 1700 ... 1800 1300 ... 1500 400 ... 700 hinter Regenerator 900 ... 1300 (ohne Regenerator) 600 ... 800 hinter Regenerator 400 ... 1000 1200 ... 1600 700 ... 1200 (ohne Regenerator) 300 ... 600 hinter Regenerator 1000 ... 1200 (ohne Regenerator) 400 ... 600 hinter Regenerator 250 ... 300 hinter Regenerator 400 ... 700 hinter Regenerator Schmiedeöfen 1150 ... 1300 Koksöfen Gaswerksöfen Brennöfen keramische Industrie 900 ... 1200 900 ... 1200 Drehrohröfen für Zement Glühöfen 1300 ... 1400 800 ... 1100 Quelle: Recknagel, Sprenger, Hönmann Abgastemperatur [°C] 800 ... 1200 150 ... 200 Vorfeuer 500 ... 1000 Scharffeuer 400 ... 600 600 ... 700 3 Ausgewählte Energietechniken 274 Auskopplung von Abwärme aus industriellen Prozessen Nutzung von Abwärme hinter Hochöfen QNutz Koks, Erzzuschlag Gichtgas 300 °C 150 °C Luft Roheisen Quelle: IER Auskopplung von Abwärme aus industriellen Prozessen Nutzwärmeauskopplung bei der trockenen Kokskühlung Inertgas Koksofen Kohle gekühlter Koks heißer Koks 500 °C 100 °C QNutz Quelle: IER 3 Ausgewählte Energietechniken 275 Auskopplung von Abwärme aus industriellen Prozessen Wärmeauskopplung bei exothermen Reaktionen QNutz 400 °C Quelle: IER Auskopplung von Abwärme aus industriellen Prozessen Auskopplung von Wärme aus einer mehrstufigen Verdichterschaltung QNutz 150 °C 20 °C 150 °C 20 °C 20 °C QNutz Quelle: Kugeler, Phlippen 3 Ausgewählte Energietechniken 276 Luftvorwärmung und Abhitzenutzung bei Industrieöfen Abgas Funktionsschema T3 Nutzwärme T2 Luft mL, Tu T1 Material mM, TE mM, TA * Brennstoff mB TL Quelle: Kugeler, Phlippen Luftvorwärmung und Abhitzenutzung bei Industrieöfen Brennstoffersparnis in % Brennstoffersparnis durch Luftvorwärmung in Abhängigkeit von Abgas- und Verbrennungslufttemperatur bei Verwendung von Erdgas (λ = 1,05) 80 1 600 70 60 50 0 1 20 40 1 500 0 0 14 Abgastemperatur in °C 0 1 00 30 20 800 10 600 0 0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 Verbrennungslufttemperatur in ° C Quelle: Kugeler, Phlippen 3 Ausgewählte Energietechniken 3.4.3 Brüdenverdichter 277 3 Ausgewählte Energietechniken 278 Grundlagen der Brüdenverdichtung Als Brüden wird in der Verfahrenstechnik der Dampf einer Flüssigkeit bezeichnet. 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. Quelle: IER Grundlagen der Brüdenverdichtung 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 der Nahrungsmittelindustrie zur Eindickung von Produkten wie z. B. Milch, Fruchtsäften usw.. 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 konkurrierende Maßnahmen 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 nicht an den Einsatztemperaturbereich (Stabilitätsprobleme) üblicher Kältemittel gebunden. Möglich ist der Einsatz der Brüdenverdichtung für die Destillation und Eindampfung der verschiedensten Produkte für Temperaturen bis über 200 °C. Quelle: IER 3 Ausgewählte Energietechniken 279 Brüdenverdichtung mit mechanischem Kompressor Brüden Verdichter Einsatz Destillat Heizschlangen flüssiges Kondensat Konzentrat Quelle: IER Prinzip einer Eindampfungsanlage mit mechanischer Brüdenkompression Der Verdichter saugt die Brüden aus dem Eindampfungsgefäß ab und verdichtet sie. Die verdichteten Brüden kondensieren in der Heizschlange. Durch die dabei freiwerdende Wärme wird das Produkt weiter eingedampft. Durch die direkte Verwendung der Brüden als Arbeitsmittel kann das System zwischen der wärmeabführenden Seite (Ansaugung der Brüden) und der wärmezuführenden Seite (Kondensation der Brüden in der Heizschlange) mit kleinen Temperaturdifferenzen arbeiten, womit der für den Verdichter notwendige Arbeitsaufwand klein ist. Quelle: IER 3 Ausgewählte Energietechniken 280 Grundlagen der Brüdenverdichtung 1 2 Brüdendampf M T, p 3 p + Δp T + ΔT 1 2 4 ΔT 4 einzudampfende Lösung 1: Kompressor 2: Verdampfer 3: Rekuperator 3 T p + Δp 1 2 T, p 3 s T-s-Diagramm Brüdenverdichtung Destillat konzentrierte Lösung Quelle:Kugeler, Phlippen Fließbild eines Brüdenverdichters am Beispiel einer Wasserdestillation 1,691 bar, 115 °C 1,013 bar, 100 °C, 9 500 kg/h 100 °C Heizdampf WT 3 1,7 bar, 115 °C WT 2 WT 1 Frischwasser 10 °C, 10 000 kg/h 92,8 °C 86,2 °C 115 °C 1,013 bar 100 °C Abwasser 500 kg/h destill. Wasser 35 °C, 9 500 kg/h Quelle: IER 3 Ausgewählte Energietechniken 281 Fließbild eines Brüdenverdichters am Beispiel einer Wasserdestillation 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. Der Wasserdampf kondensiert entsprechend dem Druck von 1,691 bar in der Heizschlange bei 115 °C, so daß die freiwerdende Kondensationswärme zur weiteren Verdampfung des Wassers der Destillationseinheit zugeführt wird. Ein Teilstrom des verdichteten Dampfes wird über einen Wärmetauscher (WT 2) ebenso wie das heiße Kondensat über einen Wärmetauscher (WT 1) zur Vorwärmung des Frischwassers genutzt. Der Wärmetauscher WT 3 wird zur Vorwärmung des Frischwassers auf Siedetemperatur benötigt. Mit den oben angegebenen Daten arbeitet der Brüdenverdichter zwischen einer oberen Prozeßtemperatur von 388 K und einer unteren Prozeßtemperatur von 373 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. Quelle: IER 3 Ausgewählte Energietechniken 282 3.4.4 ORC-Prozeß 3 Ausgewählte Energietechniken 283 Funktionsprinzip von ORC-Anlagen 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 Temperaturniveau zur Stromerzeugung verwendet werden. Quelle: Kugeler, Phlippen Schaltbild ORC-Prozess (optional mit Rekuperator) Abluft Verdampfer 4 Expansionsmaschine G Rekuperator 3 5 2 6 Pumpe 1 Kondensator Quelle: Recknagel, Sprenger, Hönmann 3 Ausgewählte Energietechniken 284 Temperatur T ORC-Prozess im T-s-Diagramm meq r ä W ) trom s e ärm w b e (A uell 4 Arbeitsmedium Δ Tmin 5 3 6 2 1 Δ Tmin Kühlmedium Entropie s Quelle: Recknagel, Sprenger, Hönmann Höhere Abwärmetemperatur Daten von Arbeitsmedien für ORC-Kreisläufe (Auswahl) Chem. Formel Molare Masse [kg/kmol] krit. Temp. [°C] krit. Druck [bar] max. zul. Temp. [°C] Dampfdruck (30°C) [bar] spez. Sattdampfvolumen (30°C) [m³/kg] C2H2F4 102,03 101,1 40,6 k. A. k. A. k. A. 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 CF3CH2OH 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 werkstoffbedingt 0,05 33 Medium R134a Ammoniak Anmerkung Zunehmender Einsatz von Silikonöl als Arbeitsmedium (Tmax ca. 250°C) Quelle: IER 3 Ausgewählte Energietechniken 3.4.5 Wärmetransformatoren 285 3 Ausgewählte Energietechniken 286 Grundprinzip der Wärmetransformation T TNutz ENutz Ezu TU + QNutz Q0 s QU Quelle: IER Wärmetransformator Temperatur T Als Wärmetransformator werden Anlagen bezeichnet, die Wärme bei mittlerer Temperatur aufnehmen und diese zum einen auf hohem Temperaturniveau (Nutzwärme), zum anderen auf dem Temperaturniveau der Umgebung wieder abgeben. Sie benötigen nur wenig mechanische oder elektrische Energie. Sie arbeiten damit (von dem Temperaturniveau der zu- und abgeführten Wärmeströme her gesehen) andersherum als thermische Wärmepumpen (siehe Abbildung). therm. Wärmepumpe Qz QNutz Q0 Wärmetransformator QNutz Q0 QU Quelle: Stephan, 1988 3 Ausgewählte Energietechniken 287 Temperatur Wärmetransformator Nutzwärme hoch Absorber P Verdampfer mittel Austreiber P niedrig Lösungsmittelkreislauf Antriebswärme Kältemittelkreislauf Kondensator Abwärme Quelle: IER Wärmetransformator: Arbeitsstoffe • Ammoniak/Wasser (NH3/H2O) klassisches Arbeitsstoffgemisch für Absorptionskälteanlagen Nachteile: • hohe Drücke • Wasser/Lithiumbromid (H2O/LiBr) Nachteile: • begrenzte Mischbarkeit • nicht für t < 0 °C • hohes spezifisches Volumen • Trifluorethanol/Tetrathylenglykol-dimethylether (TFE/E 181) Quelle: Stephan, 1988 3 Ausgewählte Energietechniken 288 Wärmetransformator • • • • • Anwendungspotential hoch hohe Investitionskosten gleichmäßige Nutzwärmeabnahme erforderlich Absorber und Austreiber noch verbesserungswürdig Wärmeverhältnis = Nutzwärme = 0,4 bis 0,5 zugeführteWärme (bei ΔT = 50 K und Temperatur der zugeführten Wärme zwischen 80 und 90 °C) • Gütegrad 0,4 bis 0,6 Quelle: IER
