Abwärmerückgewinnung
Was ist Abwärmerückgewinnung?
Die "Abwärmerückgewinnung" ist ein Prozess der "Wärmeintegration", d.h. der Wiederverwendung von Wärmeenergie, die sonst entsorgt oder einfach in die Atmosphäre abgegeben würde. Durch diese Nutzung von Abwärme können Anlagen die Energiekosten und CO2-Emissionen senken sowie gleichzeitig die Energieeffizienz steigern.
Typische Beispiele einer Abwärmerückgewinnung
Viele Konsumgüter nutzen ebenfalls Abwärme, wie zum Beispiel PKW`s mit Turboladern, die von vielen Automobilherstellern angeboten werden.
In Fahrzeugen ohne Turbolader treibt der Verbrennungsmotor heißes Gas durch den Auspuff des Autos, nachdem sein Kraftstoff verbrannt wurde. 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 Drehen eines Luftkompressors verwendet wird. Die Druckluft wird mit dem verdampften Benzin in die Brennkammer des Motors geleitet, was zu einer effizienteren Zündung und höherer Leistung bei geringerem Kraftstoffverbrauch führt.
Die energetischen Vorteile der industriellen Abwärmerückgewinnung sind ähnlich, und einige Beispiele zeigt dieser Artikel.
Vorwärmer
Abgasvorwärmer zur Warmwasserbereitung gehören zu den einfachsten Arten der Abwärmerückgewinnung. Die Abgasvorwärmer von Dampfkesseln werden Economizer genannt. Kessel nutzen die Wärmeenergie des abgeleiteten Gases, um das Kesselspeisewasser zu erwärmen und den Energiebedarf für die Dampferzeugung zu reduzieren. Nach Angaben des US-Energieministeriums kann die Installation eines Economizers den thermischen Wirkungsgrad eines Kessels erhöhen und den Brennstoffverbrauch um 5 - 10% senken.
Abhitzekessel
Nach einem ähnlichen Prinzip 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 durch einen Kamin abgeblasen werden sollten. Stattdessen ist diese Energie zur Erzeugung von Dampf mit niedrigem bis mittlerem Druck in einem Abhitzekessel nutzbar. 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 Strom erzeugen, Dampf verdichten oder Flüssigkeiten pumpen. Der Dampf eines Abhitzekessels kann große Mengen an Feuchtigkeit enthalten, daher wird empfohlen, eine hocheffiziente Dampftrockner- und Kondensatableiter-Kombination zu installieren, 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 PKW`s mit Turbolader wird der Motors durch ein Strahltriebwerk ersetzt. Das Gasturbinen-/Strahltriebwerk wird mit Erdgas befeuert, welches am Austritt sehr heiße Rauchgase enthält. Anstelle eines Ausstoßes in die Atmosphäre nutzt man einen großen Teil der Wärme und der kinetischen Energie ähnlich dem Turbolader im PKW. Das ausgestoßene Heißgas treibt eine weitere Turbine an, dann leitet man das immer noch heiße Abgas in den Abhitzedampferzeuger, welcher Heißdampf erzeugt und eine nachgeschaltete Dampfturbine antreibt. Die Turbine kann entweder einen Generator antreiben (Kombikraftwerk) oder den Dampf einfach in Prozessanwendungen (Kraft-Wärme-Kopplung) nutzen. Abhitzedampferzeuger können entweder eine Dampftrommel (wie in der folgenden Animation gezeigt) oder mehrere Dampftrommeln und Drücke aufweisen. Es gibt auch unbefeuerte Varianten mit natürlicher Zirkulation (siehe unten) und Varianten mit Kanalbrenner, welche zusätzlich heizen. Der Kanalbrenner erhöht die Dampferzeugung und Dampfqualität 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 Kühlung durch eine Absorptionskältemaschinen ergänzen. Diese sind eine hervorragende Energiesenke für Dampf mit geringem Druck.
Der Prozess der Kühlung mittels einer Absorptionskältemaschinen läuft in folgenden Schritten ab:
- Eine verdünnte Absorptionsflüssigkeit (60% Lithiumbromidsalz, 40% Wasser) wird zwischen Absorber und Generator mit Kondensat vorgewärmt.
- Im Generator wird die Absorptionsflüssigkeit durch Dampf erwärmt, wodurch ein Teil des darin enthaltenen Wassers verdampft und sich die Konzentration der Flüssigkeit erhöht.
- Die konzentrierte Absorptionsflüssigkeit fließt nach unten zurück zum Absorber, um mehr Wasser aufzunehmen. Gleichzeitig strömt der Wasserdampf zum Kondensator.
- Im Kondensator bewirkt Kühlwasser die Kondensation des Dampfes. Das Kondensat fließt in den Verdampfer, in welchem Vakuumdruck herrscht.
- Kurz vor dem Eintritt in den Verdampfer strömt das Kondensat durch eine Öffnung oder ein Expansionsventil. Diese Querschnittsveränderung begrenzt den Durchfluss, 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 seine Temperatur um ca. 5°C.
- Dieser kalte Dampf erwärmt sich durch Aufnahme von Wärme aus dem Kaltwasserkreislauf. Die starke Anziehungskraft der Salzlösung zieht das Wasser in das konzentrierte Absorptionsmittel und in den Absorber und erzeugt dabei einen Vakuumdruck im Verdampfer.
- Verdampfer: Hier findet die eigentliche Kühlung statt. Das Wasser strömt durch ein Ventil und erzeugt einen Dampf bei niedrigen Temperaturen. Über den Kaltwasserkreislauf gesprüht, 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 aus einem 60/40% prozentigem Gemisch wird erwärmt und verdampft das Wasser, wobei das konzentrierte (regenerierte) Absorptionsmittel in den Absorber zurückkehrt.
- 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, um atmosphärischen Dampf anstelle eines Abblasens in die Umgebung wieder technisch nutzbar zu machen. Hierbei werden Hochdruck- und Niederdruckdampf zu einem Mitteldruck verdichtet, welcher dann wieder in ein Leitungssystem eingebracht wird. Solche Dampfverdichter wie das SC-System von TLV funktionieren grundsätzlich wie in folgender Darstellung.
Weitere Informationen finden Sie unter:
Weitere Beispiele für die Abwärmerückgewinnung in Dampfanlagen
Trennung vom Kondensat und Wiederverwendung von Entspannungsdampf
Sind mehrere Dampfschienen mit verschiedenen Drücken in einer Anlage vorhanden, bietet sich die Möglichkeit, Entspannungsdampf aus dem Kondensat eines höheren Druckniveaus in eine Dampfschiene mit geringerem Druck einzuspeisen. Im Entspanner herrscht der Druckt der Dampfschiene mit dem geringerem Druckniveau. Dort trennen sich Kondensat und Entspannungsdampf, und dieser Dampf kann in die Schiene des geringeren Drucks strömen. Dadurch verringert sich die Menge an Dampf, die im Kessel erzeugt werden muss.
Abschlämmung des Kessels
Die Wärme aus der Abschlämmung des Kessels kann in einem Behälter wie der SR-Serie von TLV zur Vorwärmung von Wasser genutzt werden.
Dampfbefeuerte Warmwasserbereitung
Dampf auch geringen Drucks kann zur Herstellung von Warmwasser verwendet werden. Eine optimale Lösung für solche Anwendung ist etwa der TLV SteamAqua®, ein dampfbetriebener Durchlauferhitzer, der durch eine Kondensatvorwärmung besonders energieeffizient ist.
Weitere Informationen finden Sie unter:
Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung
Es gibt Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung in Dampfsystemen, und nicht alle sind in diesem Artikel enthalten. Die Dampfspezialisten Ihrer TLV Niederlassung beraten Sie gerne in allen Fragen über Wärmerückgewinnung oder Dampf- und Kondensatsysteme.
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