Gerecycleerde fabriekswarmte komt industrie en milieu ten goede

Gerecycleerde fabriekswarmte komt industrie en milieu ten goede

Industriële processen nemen meer dan een vierde van het primaire energieverbruik in Europa voor hun rekening en produceren een enorme hoeveelheid warmte. Door de EU gefinancierd onderzoek sluit de cirkel met nieuwe systemen die afvalwarmte terugwinnen en deze voor hergebruik in industriële proceslijnen teruggeven.

De meeste proceswarmte gaat verloren aan het milieu in de vorm van uitlaat- of lozingsstromen. Terugwinning en hergebruik van deze warmte vermindert het energieverbruik, de emissies en de verontreinigende stoffen. Het stelt industrieën in staat kosten te besparen, aan regelgeving te voldoen en hun bedrijfsimago te verbeteren met bredere gevolgen voor het concurrentievermogen. Een van de grootste uitdagingen is het omgaan met de enorme verscheidenheid aan uitlaattemperaturen en bestanddelen, waardoor het moeilijk is om gebruik te maken van kant-en-klare warmtewisselaars. In het kader van het door de EU gefinancierde ETEKINA-project zijn nieuwe heat pipe-warmtewisselaars (HPHE's) op maat ontwikkeld, die met succes zijn getest in de keramiek-, staal- en aluminiumindustrie.

Een brede ontwerpruimte beantwoordt aan de behoeften van complexe uitlaatgasstromen

Heat pipes zijn buizen die aan beide uiteinden zijn afgesloten en een werkvloeistof bevatten die verzadigd is, wat betekent dat bij elke temperatuurstijging de vloeistof verdampt. Zij worden gebruikt voor hittebeheer in toepassingen van computers aan satellieten en ruimtevaartuigen. In een HPHE, worden de hittepijpen geïnstalleerd in bundels in bijlage aan een plaat en geplaatst in een omhulsel. Een hittebron zoals uitlaatgas stroomt in de lagere sectie. De werkende vloeistof verdampt en stijgt in de pijpen op, waar een heatsink zoals koele lucht in het hoogste deel van het omhulsel stroomt en de hitte absorbeert. De ingesloten structuur minimaliseert verlies terwijl de plaat kruisbesmetting tussen het uitlaatgas en de lucht minimaliseert. HPHE's vereisen kleinere oppervlakten voor een grotere warmteoverdracht ten opzichte van conventionele benaderingen. Dit maakt hen zeer efficiënt en vermindert aangroei. De uitdaging bestaat erin de parameters zo te kiezen dat de grootst mogelijke warmte wordt teruggewonnen uit complexe afvalstromen. Er zijn zoveel parameters, met inbegrip van het aantal, de diameter, de lengte en het materiaal van de heat pipes; hun geassembleerde configuratie; en de werkende vloeistof.

Van modellen naar fabrieken

Gezien de immense parameterruimte werden modellenvoor computationele vloeistofdynamica en transiënte systeemsimulatie (TRNSYS) ontwikkeld om wetenschappers te helpen op maat gemaakte HPHE's te ontwerpen voor drie industriële toepassingen. Zo was de kruisstroom-, lamellen-, aangroeibestendige HPHE (de lamellen vergroten het oppervlak om de warmteoverdracht te verbeteren), ontworpen om afvalwarmte terug te winnen van een keramische walsoven, de allereerste in deze configuratie die in de keramische industrie werd toegepast. De warmtepijpschalen waren gemaakt van koolstofstaal en water was de werkvloeistof. "We hebben de projectdoelstelling van een minimum van 40 % restwarmteterugwinning uit de uitlaatstromen overtroffen. Onze HPHE's zijn ook veel compacter dan conventionele warmtewisselaars, waardoor kostbare fabrieksruimte wordt bespaard. Naast hun efficiëntie, die de kosten en uitstoot verlaagt, hebben ze ook een korte terugverdientijd," zegt Hussam Jouhara van de Brunel University London en technisch en wetenschappelijk coördinator van het ETEKINA-project. De systemen hebben met succes warmte teruggewonnen zonder kruisbesmetting en deze terug naar de fabriek geleid om in andere processen te worden gebruikt. Het HPHE-concept dat in het kader van ETEKINA is ontwikkeld, is zeer schaalbaar en kan worden aangepast aan elk type industriële uitlaat over een groot temperatuurbereik en voor een verscheidenheid aan warmteputten, waaronder lucht, water en olie. Een nieuw repliceerbaar instrument zal helpen om snel het potentieel van afvalwarmteterugwinning bij toekomstige klanten te beoordelen.

Dit artikel is gepubliceerd in EN, DE, ES, FR, IT en PL door CORDIS