Anlagen zur Wärmerückgewinnung und 3.4.1 3.4.2 … · Quelle: Recknagel, Sprenger, Hönmann G...

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


3.4.1 Grundlagen


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


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


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


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


Wichtige Parameter für die Wärmerückgewinnung

Quelle: IER

• Temperaturen von Abwärme und Wärmebedarf

• Stoffstrom/Trägermedium

• Prozeßparameter (Druck, Temperatur, Massenstrom)

• zeitlicher Verlauf von Abwärmeanfall und Wärmebedarf


3.4.2 Technische Lösungen


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


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


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


Nutzwärmeauskopplung bei der trockenen Kokskühlung

QNutz

Koksofen

Kohle heißer Koksgekühlter Koks

Inertgas

500 °C 100 °C


Quelle: IER


Wärmeauskopplung bei exothermen Reaktionen

QNutz

400 °C

Quelle: Kugeler, Phlippen


Auskopplung von Wärme aus einer mehrstufigen Verdichterschaltung

QNutz

QNutz

20 °C

20 °C 20 °C150 °C

150 °C


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



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


3.4.3 Brüdenverdichter


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.


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.


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.


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


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


Quelle:Kugeler, Phlippen



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


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.


3.4.4 ORC-Prozeß


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 Temperatur-niveau zur Stromerzeugung verwendet werden.

Schaltbild ORC-Prozess (optional mit Rekuperator)


G

Abluft

1

Verdampfer Expansions-maschine

Kondensator

Pumpe

2

Rekuperator3

4

5

6

Schaltbild ORC-Prozess (optional mit Rekuperator)


G

Abluft

1

Verdampfer Expansions-maschine

Kondensator

Pumpe

2

Rekuperator3

4

5

6


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


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


Wärmequelle (Abwärmestrom)

Kühlmedium

Arbeitsmedium

6

5

4

3

2

1

Tem

pera

tur T

Entropie s

Δ Tmin

Δ Tmin


3.4.5 Wärmetransformatoren


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


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)


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

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