Die Abwärmerückgewinnung ist ein Prozess der Wärmeintegration, also der Wiederverwendung von Wärmeenergie, die sonst entsorgt oder einfach in die Atmosphäre abgegeben würde. Durch die Nutzung von Abwärme können Anlagen ihre Energiekosten und CO₂-Emissionen senken und gleichzeitig ihre Energieeffizienz steigern.

Viele Konsumgüter nutzen ebenfalls Abwärme, wie zum Beispiel PKWs mit Turboladern, die von vielen Automobilherstellern angeboten werden.

In Fahrzeugen ohne Turbolader wird heißes Gas, das bei der Verbrennung von Kraftstoff entsteht, durch den Auspuff des Autos abgegeben. Dieses Gas enthält sowohl Wärme als auch kinetische Energie, von denen ein Teil zurückgewonnen werden kann. Turbogeladene Motoren leiten das heiße Gas zu einer Turbine um, die zum Antrieb eines Luftkompressors genutzt wird. Die Druckluft wird zusammen mit dem verdampften Benzin in die Brennkammer des Motors geleitet. Dies führt zu einer effizienteren Zündung und einer höheren Leistung bei geringerem Kraftstoffverbrauch.

Die energetischen Vorteile der industriellen Abwärmerückgewinnung sind ähnlich. Einige Beispiele zeigt dieser Artikel.

Vorwärmer

Abgasvorwärmer zur Warmwasserbereitung zählen zu den einfachsten Arten der Abwärmerückgewinnung. Die Abgasvorwärmer von Dampfkesseln werden als Economizer bezeichnet. Sie nutzen die Wärmeenergie des abgeleiteten Gases, um das Kesselspeisewasser zu erwärmen und den Energiebedarf für die Dampferzeugung zu reduzieren. Laut dem US-Energieministerium kann die Installation eines Economizers den thermischen Wirkungsgrad eines Kessels erhöhen und den Brennstoffverbrauch um 5–10 % senken.

Abhitzekessel

Ähnlich wie bei Abgasvorwärmern gewinnen Abhitzekessel die in Öfen erzeugte Wärme oder die durch exotherme chemische Reaktionen in Industrieanlagen erzeugte Wärme zurück. Diese Prozesse können erhebliche Mengen an Energie enthalten, die nicht ungenutzt durch einen Kamin entweichen sollten. Stattdessen kann diese Energie in einem Abhitzekessel zur Erzeugung von Dampf mit niedrigem bis mittlerem Druck genutzt werden. Ein Abhitzekessel dient auch der Abführung von Wärme aus einer Prozessflüssigkeit, die für den Transport oder die Lagerung gekühlt werden muss. Der im Abhitzekessel erzeugte Dampf kann für Heizungsanwendungen oder zum Antrieb von Turbinen verwendet werden, die wiederum Strom erzeugen, Dampf verdichten oder Flüssigkeiten pumpen. Da der Dampf eines Abhitzekessels große Mengen an Feuchtigkeit enthalten kann, wird eine hocheffiziente Kombination aus Dampftrockner und Kondensatableiter empfohlen, um sicherzustellen, dass der Abhitzekessel dem Empfängerprozess optimale Dampfqualität liefert.

Abhitzedampferzeuger

Viele hocheffiziente Industrieanlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung oder Kombikraftwerken nutzen eine Gasturbine (hauptsächlich Strahltriebwerke), um Strom zu erzeugen und aus der Abwärme mit einem Abhitzedampferzeuger Dampf zu erzeugen. Dieser Abschnitt erläutert den Prozess und den Einsatz eines Abhitzedampferzeugers.

Anstelle des vorherigen Beispiels eines PKWs mit Turbolader wird der Motor durch ein Strahltriebwerk ersetzt. Das Gasturbinen-/Strahltriebwerk wird mit Erdgas befeuert, welches am Austritt sehr heiße Rauchgase enthält. Anstatt diese in die Atmosphäre auszustossen, nutzt man einen großen Teil der Wärme und der kinetischen Energie, ähnlich wie beim Turbolader im PKW. Das ausgestoßene Heißgas treibt eine weitere Turbine an. Anschließend wird das immer noch heiße Abgas in den Abhitzedampferzeuger geleitet, der Heißdampf erzeugt und eine nachgeschaltete Dampfturbine antreibt. Die Turbine kann entweder einen Generator antreiben (Kombikraftwerk) oder der Dampf kann in Prozessanwendungen genutzt werden (Kraft-Wärme-Kopplung). Abhitzedampferzeuger können eine oder mehrere Dampftrommeln sowie verschiedene Drücke aufweisen (siehe folgende Animation). Es gibt auch unbefeuerte Varianten mit natürlicher Zirkulation sowie Varianten mit Kanalbrenner, welche zusätzlich heizen. Ein Kanalbrenner erhöht die Dampferzeugung und -qualität und hat die Fähigkeit, Heißdampf und eine höhere Leistung an einer Turbine zu erzeugen.

Absorptionskälteanlage

Energieeffiziente Kraft-Wärme-Kopplungssysteme können den Dampf aus der Abwärme nutzen und die Kühlung durch eine Absorptionskältemaschinen ergänzen. Diese sind eine hervorragende Energiesenke für Dampf mit geringem Druck.

Der Kühlprozess läuft in folgenden Schritten ab:

1. Eine verdünnte Absorptionsflüssigkeit (60% Lithiumbromidsalz, 40% Wasser) wird zwischen Absorber und Generator mit Kondensat vorgewärmt.
2. Im Generator wird die Absorptionsflüssigkeit durch Dampf erwärmt, wodurch ein Teil des darin enthaltenen Wassers verdampft und sich die Konzentration der Flüssigkeit erhöht.
3. Die konzentrierte Absorptionsflüssigkeit fließt nach unten zurück zum Absorber, um mehr Wasser aufzunehmen. Gleichzeitig strömt der Wasserdampf zum Kondensator.
4. Im Kondensator bewirkt Kühlwasser die Kondensation des Dampfes. Das Kondensat fließt in den Verdampfer, in dem ein Vakuum herrscht.
5. Kurz vor dem Eintritt in den Verdampfer strömt das Kondensat durch eine Öffnung oder ein Expansionsventil. Durch die damit verbundene Querschnittsveränderung wird der Durchfluss begrenzt und das Wasser verdampft bei 4,5 °C wieder zu einem kalten Dampf. Hier findet die eigentliche Kühlung statt. Der Niedertemperaturdampf entzieht dem Kaltwasserkreislauf Wärme und senkt dessen Temperatur um ca. 5 °C.
6. Anschließend erwärmt sich der kalte Dampf durch die Aufnahme von Wärme aus dem Kaltwasserkreislauf. Die starke Anziehungskraft der Salzlösung zieht das Wasser in das konzentrierte Absorptionsmittel und in den Absorber. Dabei entsteht ein Vakuumdruck im Verdampfer.

• Verdampfer: Hier findet die eigentliche Kühlung statt. Das Wasser strömt durch ein Ventil und erzeugt bei niedrigen Temperaturen Dampf. Wenn er über den Kaltwasserkreislauf gesprüht wird, nimmt er Wärme auf und kühlt das Kältemittel.
• Absorber: Das konzentrierte Absorptionsmittel zieht Wasserdampf aus dem Verdampfer an und erzeugt einen Vakuumdruck, während das Absorptionsmittel verdünnt wird.
• Generator: Das Absorptionsmittel, das aus einem 60/40 %-igen Gemisch besteht, wird erwärmt, wodurch das Wasser verdampft. Das konzentrierte (regenerierte) Absorptionsmittel kehrt in den Absorber zurück.
• Kondensator: Der vom Generator zugeführte Wasserdampf wird durch die Übertragung von Wärme auf das Kühlwasser kondensiert.

Thermokompression von Dampf

Die Thermokompression ist ein weiterer Ansatz zur Wärmerückgewinnung. Dabei wird atmosphärischer Dampf anstelle eines Abblasens in die Umgebung wieder technisch nutzbar gemacht. Hierbei werden Hochdruck- und Niederdruckdampf zu einem Mitteldruck verdichtet und wieder in ein Leitungssystem eingebracht. Solche Dampfverdichter, wie das SC-System von TLV, funktionieren grundsätzlich wie in der folgenden Darstellung dargestellt.

Weitere Informationen finden Sie unter:

• Produktlösungen: Dampfverdichter

Trennung vom Kondensat und Wiederverwendung von Entspannungsdampf

Wenn in einer Anlage mehrere Dampfschienen mit verschiedenen Drücken vorhanden sind, besteht die Möglichkeit, Entspannungsdampf aus dem Kondensat eines höheren Druckniveaus in eine Dampfschiene mit geringerem Druck einzuspeisen. Im Entspanner herrscht der Druck der Dampfschiene mit dem geringeren Druckniveau. Dort trennen sich Kondensat und Entspannungsdampf, sodass der Dampf in die Schiene des geringeren Drucks strömen kann. Dadurch verringert sich die Menge an Dampf, die im Kessel erzeugt werden muss.

Abschlämmung des Kessels

Die Wärme, die bei der Abschlämmung des Kessels entsteht, kann zur Vorwärmung von Wasser genutzt werden. Dafür eignet sich ein Behälter wie die SR-Serie von TLV.

Dampfbefeuerte Warmwasserbereitung

Auch Dampf mit geringem Druck kann zur Warmwasserbereitung verwendet werden. Eine optimale Lösung für diese Anwendung ist der dampfbetriebene Durchlauferhitzer TLV SteamAqua®, der durch eine Kondensatvorwärmung besonders energieeffizient ist.

Weitere Informationen finden Sie unter:

• Dampfbetriebene Wärmeübertrager-Kompaktstation

Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung

In Dampfsystemen gibt es oft zahlreiche Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung, darunter auch einige, die in diesem Artikel möglicherweise nicht erwähnt werden. Bitte wenden Sie sich an Ihren lokalen technischen Vertreter von TLV oder an ein Mitglied des CES-Teams (Consulting · Engineering · Services), um weitere Informationen darüber zu erhalten, wie Sie Wärmeenergie aus Ihrem System zurückgewinnen können.

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