Wiederverwendete Fabrikwärme kommt der Industrie und der Umwelt zugute

30. November 2021 von Corinna Barnstedt
Wiederverwendete Fabrikwärme kommt der Industrie und der Umwelt zugute

Die von der EU finanzierte Forschung schließt den Kreis mit neuartigen Systemen, die Abwärme zurückgewinnen und zur Wiederverwendung nutzen. Die meiste Prozesswärme geht als Abgas- oder Ableitungsströme in die Umwelt verloren. Die Rückgewinnung und Wiederverwendung dieser Wärme senkt den Energieverbrauch, die Emissionen und die Schadstoffbelastung. Im Rahmen des von der EU finanzierten Projekts ETEKINA wurden neuartige, maßgeschneiderte Wärmerohr-Wärmetauscher entwickelt. Sie haben die Wärme erfolgreich und ohne Kreuzkontamination zurückgewonnen und in die Fabrik zurückgeführt, um sie in anderen Prozessen zu nutzen. Ein neuartiges Tool zur Replizierbarkeit wird dazu beitragen, das Abwärmerückgewinnungspotenzial künftiger Kunden schnell zu bewerten. Zusätzlich zu ihrer

ihrer Effizienz, die Kosten und Emissionen senkt, haben sie auch eine kurze Amortisationszeit.


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Industrielle Prozesse machen mehr als ein Viertel des Primärenergieverbrauchs in Europa aus und erzeugen enorme Wärmemengen. Die von der EU finanzierte Forschung schließt den Kreis mit neuartigen Systemen, die Abwärme zurückgewinnen und zur Wiederverwendung in industriellen Prozesslinien einsetzen.

 

Die meiste Prozesswärme geht als Abgas- oder Ableitungsströme in die Umwelt verloren. Die Rückgewinnung und Wiederverwendung dieser Wärme verringert den Energieverbrauch, die Emissionen und die Schadstoffe. Sie ermöglicht es der Industrie, Kosten zu senken, Vorschriften einzuhalten und ihr Unternehmensimage zu verbessern, was sich wiederum auf die Wettbewerbsfähigkeit auswirkt. Eine der größten Herausforderungen ist der Umgang mit der immensen Vielfalt an Abgastemperaturen und -bestandteilen, die den Einsatz von Standard-Wärmetauschern erschwert. Im Rahmen des von der EU finanzierten ETEKINA-Projekts wurden neuartige maßgeschneiderte Wärmerohr-Wärmetauscher entwickelt, die in der Keramik-, Stahl- und Aluminiumindustrie erfolgreich getestet wurden.

 

Ein breiter Designraum erfüllt die Anforderungen komplexer Abgasströme

Wärmerohre sind an beiden Enden abgedichtete Rohre, in denen sich ein Arbeitsmedium in Sättigung befindet, d. h. bei einem Temperaturanstieg verdampft es. Sie werden für das Wärmemanagement in Anwendungen von Computern bis hin zu Satelliten und Raumfahrzeugen eingesetzt. In einem HPHE sind die Wärmerohre in Bündeln an einer Platte befestigt und in einem Gehäuse untergebracht. Eine Wärmequelle, z. B. Abgas, strömt in den unteren Teil. Die Arbeitsflüssigkeit verdampft und steigt in den Rohren nach oben, wo eine Wärmesenke wie kühle Luft in den oberen Teil der Hülle strömt und die Wärme absorbiert. Die geschlossene Struktur minimiert die Verluste, während die Platte die Kreuzkontamination zwischen Abgas und Luft minimiert. HPHEs benötigen eine kleinere Oberfläche für eine größere Wärmeübertragung im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen. Das macht sie sehr effizient und verringert die Verschmutzung. Die Herausforderung besteht darin, die Parameter so zu wählen, dass die größtmögliche Wärme aus komplexen Abfallströmen zurückgewonnen wird. Es gibt so viele Parameter, darunter die Anzahl, der Durchmesser, die Länge und das Material der Wärmerohre, ihre Anordnung und das Arbeitsmedium.

 

Von Modellen zu Fabriken

In Anbetracht des immensen Parameterraums wurden Modelle dernumerischen Strömungsmechanik und der instationären Systemsimulation (TRNSYS) entwickelt, um die Wissenschaftler bei der Entwicklung maßgeschneiderter HPHEs für drei industrielle Anwendungen zu unterstützen. So wurde zum Beispiel der quer durchströmte, gerippte und verschmutzungsresistente Wärmetauscher (die Rippen vergrößern die Oberfläche, um die Wärmeübertragung zu verbessern) zur Rückgewinnung von Abwärme aus einem Keramik-Rollenherdofen entwickelt und war der erste in dieser Konfiguration, der in der Keramikindustrie eingesetzt wurde. Die Schalen der Wärmerohre wurden aus Kohlenstoffstahl gefertigt, und als Arbeitsmedium diente Wasser. "Wir haben das Projektziel von mindestens 40 % Abwärmerückgewinnung aus den Abgasströmen übertroffen. Unsere Wärmetauscher sind auch viel kompakter als herkömmliche Wärmetauscher, was wertvollen Platz in der Fabrik spart. Zusätzlich zu ihrer Effizienz, die Kosten und Emissionen senkt, haben sie auch eine kurze Amortisationszeit", sagt Hussam Jouhara von der Brunel University London und technischer und wissenschaftlicher Koordinator des ETEKINA-Projekts. Die Systeme haben die Wärme erfolgreich und ohne Kreuzkontamination zurückgewonnen und in die Fabrik geleitet, um sie in anderen Prozessen zu nutzen. Das im Rahmen von ETEKINA entwickelte HPHE-Konzept ist hochgradig skalierbar und kann an jede Art von Industrieabgas über einen großen Temperaturbereich und für eine Vielzahl von Wärmesenken, einschließlich Luft, Wasser und Öl, angepasst werden. Ein neuartiges Tool zur Replizierbarkeit wird dazu beitragen, das Abwärmerückgewinnungspotenzial künftiger Kunden schnell zu bewerten.

 

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