Der perfekte Wärmetausch: Im Zeichen der Energieeffizienz blicken Anlagenbetreiber vermehrt auf Möglichkeiten, Wärme aus ihren Prozessen zurückzugewinnen.

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Prozess- und Druckluft Wieso sich Investitionen in Wärmerückgewinnung auszahlen

21.04.2020

Bei Prozessluft-Anwendungen können Betreiber gehörig ins Schwitzen geraten. Prozess- beziehungsweise Druckluft ist schließlich die mit Abstand teuerste Energieform. Keine Druckluft ohne Wärme. Diese gilt es, gerade angesichts der langen Betriebszeiten von Verdichtern, zurückzugewinnen – aus Umweltaspekten genauso wie aus Gründen der Betriebswirtschaft.

Druckluft ist energetisch betrachtet ein heißes Thema. Begrenzte Ressourcen, strenge Umweltauflagen, begrenzte CO2-Emissionen, steigende Energiekosten und zunehmender Preisdruck sind Antreiber für Energieeffizienzprojekte.

Dahinter steht auf der einen Seite die präzise Auslegung, damit Anlagen – auch dank des Einsatzes von Frequenzumrichtern zur Drehzahlsteuerung – rund um die Uhr möglichst dicht am optimalen Betriebspunkt arbeiten. Von gut gemeinten Leistungsreserven gilt es sich also zu verabschieden, ohne dabei die Betriebssicherheit zu gefährden.

Blick auf Wärmerückgewinnung

Auf der anderen Seite bieten Verdichter, physikalisch bedingt, ein enormes Potenzial, die bei der Druckerhöhung zwangsläufig ansteigende Lufttemperatur zu nutzen. Angesichts des wachsenden Interesses an ökologischer Nachhaltigkeit und betriebswirtschaftlichem Kostenbewusstsein blicken Anlagenbetreiber mit zunehmender Aufmerksamkeit auf die Wärmerückgewinnung. Diese Entwicklung nimmt an Tempo zu – auch aufgrund attraktiver Return-on-Investment-Zeiten, die häufig unter zwei Jahren liegen. Wo liegen die Ursachen für dieses leicht zu erschließende Potenzial?

Den Gesetzen der Thermodynamik folgend, hat Luft in einem geschlossenen Raum die Eigenschaft, sich zu erwärmen, wenn der Druck steigt. Der Grund dafür: Die Luftmoleküle müssen aufgrund des geringeren Raums enger zusammenrücken und damit steigt die Reibung. Zur weiteren Analyse kommt für den typischen Bereich der Prozessluftdrücke das Gesetz der idealen Gase zur Anwendung. Zusammen mit dem Wirkungsgrad des Verdichters im jeweiligen Betriebspunkt lässt sich so die Temperatur der Luft nach der Verdichtung berechnen.

Abwärmenutzung von Temperatur abhängig

Diese hängt vor allem vom Druckverhältnis ab. Bei einer Ansaugtemperatur von 20 °C, einem Druckverhältnis von drei und einem isentropen Wirkungsgrad des Verdichters von beispielsweise 74 Prozent wird die Luft bei der Verdichtung auf circa 166 °C erwärmt. Je höher die Temperatur, desto weiter das Anwendungsspektrum der Abwärmenutzung.

Thermodynamisch wird die Qualität der Wärme über den sogenannten Carnot-Faktor beschrieben, in welchen das Verhältnis der Absoluttemperaturen der Abwärme und der Wärmesenke, also der Abwärmenutzung, eingeht. Die in der Prozessluft enthaltene Wärmemenge nimmt in Anlagen typischerweise etwa 85 Prozent der Gesamtmenge an potenziell zurückzugewinnender Wärme ein. Die verbleibenden 15 Prozent verteilen sich zu etwa gleichen Teilen auf Verluste des Antriebsmotors, der Mechanik sowie Abstrahlungen der heißen Verdichterstufe unter der Schallhaube.

Abwärme als Heizung für Räume

Aber auch diese 15 Prozent sind im Rahmen von Wärmerückgewinnungsmaßnahmen vergleichsweise einfach zur Beheizung angrenzender Büroflächen oder Produktionsbereiche direkt erschließbar. Aerzen rüstet dafür die Abluftkulissen der Drehkolbengebläse Delta Blower, Drehkolbenverdichter Delta Hybrid und Schraubenverdichter Delta Screw mit einem Abluftkanal aus. Aus diesem strömt die erwärmte Luft, die vorher die Verdichterstufe, den Schalldämpfer und das Rohleitungssystem unter der Schallhaube gekühlt hat.

30 bis 60 °C warm ist der Rücklauf im zentralen Abluftkanal, von dem abzweigende Luftkanäle dann die zu heizenden Räume versorgen. Zur individuellen Temperatursteuerung kommen bei diesem System geregelte Klappen zum Einsatz.

Rohrbündelwärmetauscher für viele Anwendungen

Bei dem ersten Weg der Wärmerückgewinnung gilt es, den 85-Prozent-Anteil der thermischen Energie zu erschließen, also den der Verdichterluft selbst. Aerzen setzt dafür bereits bei einer Vielzahl von Anwendungen erfolgreich strömungsoptimierte Rohrbündelwärmetauscher ein. Platziert werden die kompakten Einheiten kurz hinter dem Aggregat auf der Druckseite.

Die Integration ist einfach. Folglich empfiehlt sich diese Technik auch für Nachrüstungen, um die Energieeffizienz von Bestandsanlagen sowie die CO2-Bilanz spürbar zu verbessern. Die von Aerzen eingesetzten Rohrbündelwärmetauscher sind in ihrem Strömungsverhalten so konstruiert, dass der Leistungsverlust aufgrund des ansteigenden Kanaldrucks von unter zwei bis drei Prozent, in Abhängigkeit von Anwendungen und Anforderungen, vernachlässigbar ist – zumindest gemessen an den Einsparungen als Folge der Wärmerückgewinnung.

Während sich die thermische Energie aus der reinen Abluft am effektivsten für die direkte Raumbeheizung verwenden lässt, eröffnet sich mit dem Einsatz von Rohrbündelwärmetauschern eine Energiequelle mit deutlich höheren Temperaturen. Daraus erwachsen in der Umsetzung eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten.

Typisch sind die Unterstützung von Heizungssystemen, die Warmwasserbereitung für Duschen und Waschräume sowie die Erwärmung von Nutzwasser im industriellen Umfeld. In der Abwassertechnik dient die Wärme dazu, Klärschlamm zu trocknen. Zu beachten ist bei der Planung solcher Systeme, dass sie passend zur Grundlast dimensioniert werden. Wo diese liegt, kann anhand längerfristiger Kennlinien leicht abgelesen werden.

Smarte Lösungen für die Wärmerückgewinnung

Basis für die optimale Abwärmenutzung ist die Ermittlung der nutzbaren Wärmemenge. Sie hängt wiederum von der nutzbaren Temperaturdifferenz, dem herrschenden Volumenstrom, also der zeitlich zur Verfügung stehenden Menge, sowie dem Gleichzeitigkeitsgrad von Angebot und Nutzung ab.

Angesichts dieser wechselseitigen Zusammenhänge bietet das Unternehmen Aerzen für den jeweiligen Einsatz passende, smarte Wärmerückgewinnungslösungen an, die die zur Verfügung stehende Energie überaus effektiv in Produktionsprozesse, Warmwasseraufbereitungen oder Heizungen leitet.

Bildergalerie

  • Für die Wärmerückgewinnung setzt Aerzen strömungsoptimierte Rohrbündelwärmetauscher ein, die kurz hinter dem Aggregat auf der Druckseite platziert sind.

    Bild: Aerzen

  • Die in der Prozessluft enthaltene Wärmemenge nimmt in Anlagen typischerweise etwa 85 Prozent der Gesamtmenge an potenziell zurückzugewinnender Wärme ein.

    Bild: Aerzen

  • Die Lösung von Aerzen eignet sich auch für Nachrüstungen.

    Bild: Aerzen

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