Wärmerückgewinnung
Die Wiederverwendung thermischer Energie (Wärme) aus heißem Abwasser, Gasen, Lüftung oder Abwässern wird als Wärmerückgewinnung bezeichnet.
Der Hauptvorteil dieses Verfahrens liegt in der Verringerung der Abwärmeemissionen in die Umwelt und den Einsparungen durch die Nutzung der Abwärme für andere Zwecke.
Der kontinuierliche Anstieg der Energie- und Kraftstoffpreise fördert den Einsatz energiesparender Technologien und die Steigerung der Effizienz von Produktionsprozessen durch die Rückgewinnung von Energie aus Anlagen. Die größten Einsparungen lassen sich bei großen Produktionsanlagen erzielen, die in ihren Prozessen sehr große Mengen an Energie, Wasser und Wärme verbrauchen.
Abwärme in Form von Dampf, heißem Wasser, Öl oder heißer Luft fällt bei fast jedem Produktionszyklus an. Mit dem BPHE-Wärmetauscher kann die Wärme zurückgewonnen und für andere Zwecke wiederverwendet werden, was zu einer Verringerung der Kohlenstoffemissionen und zu erheblichen Einsparungen für die Hersteller beiträgt. Moderne Wärmerückgewinnungssysteme verwenden Lösungen wie Rotationsregeneratoren, Rekuperatoren, Wärmetauscher und Wärmepumpen.
Wärmeübertrager
Eine Möglichkeit, die Effizienz von Kühlsystemen zu erhöhen, ist der Einsatz von Wärmetauschern als Wärmeübertrager – Unterkühler. Indem die Temperatur des flüssigen Kältemittels gesenkt wird, bevor es expandiert und dem Verdampfer zugeführt wird, kann die Effizienz und die Kühlleistung erhöht werden. Die während der Unterkühlungsphase an die Umgebung abgegebene Wärme wird dem Kältekreislauf entzogen. Ein zusätzlicher Vorteil der Unterkühlung ist die Möglichkeit, dass der Flashgasanteil nach dem Expansionsventil reduziert wird, was zu weniger Blasenbildung führt.
Economizer
Gelötete Plattenwärmetauscher können auch als Economiser (Regenerativnachkühler) zur Zwischenkühlung mittels Kältemittel eingesetzt werden. Dadurch wird ein zweistufiger Verdichtungseffekt mit einem einzigen Kompressor erzielt, was die Gesamteffizienz des Systems erhöht. Bei Systemen mit optimierter Dampfeinspritzung (EVI) muss der Verdichter so ausgelegt sein, dass Kältemittel einspritzt werden kann, um die erhöhte Verdichtungsendtemperatur zu erreichen. Infolgedessen benötigt der Kompressor weniger Strom, was die Betriebskosten des Systems senkt.
Economizer-Systeme erfordern die Installation zusätzlicher Komponenten wie Rohrleitungen und Expansionsventil. Mit zusätzlicher Leistung auf mittlerem Druckniveau (Axialverdichter/Schraubenverdichter). Aufgrund der Investitionskosten, die mit den Installationsanforderungen verbunden sind, werden diese Systeme nur in großen Kühlanlagen eingesetzt. Wenn ein System mit einem Economiser zwei Verdichterstufen verwendet, spricht man von einem zweistufigen System.
Enthitzer
Kältesysteme mit luftgekühlten Verflüssigern erzeugen Abwärme, indem sie Kondensationsenergie an die Umgebungsluft abgeben. Durch die Installation eines zusätzlichen Wärmetauschers vor dem Kondensator kann ein Großteil der Abwärme als Brauchwassererwärmung für, heißes Brauchwasser, Reinigungswasser oder Raumheizung genutzt werden.
Ein Enthitzer in Form eines gelöteten Plattenwärmetauschers, der zwischen Kompressor und Verflüssiger angeordnet ist, ermöglicht die Nutzung der Hochtemperaturenergie des überhitzten Kältemittels. Der Einsatz eines zusätzlichen Wärmetauschers im Kühlsystem, das aus drei Zonen besteht (Unterkühlung, Verflüssigung und Enthitzung), ermöglicht es, das Warmwasser auf eine höhere Temperatur zu erwärmen, als es in einem typischen Verflüssiger möglich wäre.
Der Enthitzer kann das Kältemittel je nach Betriebsbedingungen kondensieren. In diesem Fall muss die Flüssigkeit dem Verflüssiger unterhalb des Kühlers zugeführt werden, damit sich kein Kondensat aus dem Kühler ansammelt. In der Praxis wird er jedoch oben montiert. In einem gelöteten Plattenwärmetauscher wird das Kältemittel dann vom Dampfstrom mitgerissen. Eine richtig ausgelegte Verbindungsleitung zwischen dem Enthitzer und dem Verflüssiger (für Gasgeschwindigkeiten von 5-10 m/s) verhindert die Ansammlung von flüssigem Kondensat.
ORC-Anlagen
ORC-Anlagen verdanken ihren Namen dem organischen Arbeitsmedium (Englisch: Organic Rankine Cycle, ORC). In ORC-Anlagen wird Dampf durch organische Stoffe ersetzt, die bei relativ niedriger Temperatur (und Druck) verdampfen. Dies ermöglicht die Verwendung von Wärmequellen mit niedrigen und mittleren Temperaturen in ORC-Kreisläufen. Zur Stromerzeugung wird die Abwärme (aus dem Verflüssiger) des Kältekreislaufs genutzt.
Das Funktionsprinzip von ORC-Anlagen ist ähnlich dem einer Dampfturbine in Kraftwerken. Das flüssige Kältemittel wird in den Verdampfer gepumpt, wo es verdampft wird. Der Dampf des Arbeitsmittels wird in die Turbine geleitet, die über eine Welle mit dem Generator verbunden ist. Die Energie des Arbeitsmediums setzt die Rotorblätter in Bewegung, um Strom zu erzeugen. Nach dem Durchlaufen der Turbine gelangt das Arbeitsmedium in den Kondensator. In kondensierter Form wird es zum Verdampfer gepumpt, wo sich der Kreislauf schließt. Der Leistungsgrad der ORC-Anlage kann durch den Einbau eines Rekuperators weiter erhöht werden. Wenn das Dampfmedium die Turbine als Heißdampf verlässt, gibt es Wärme an die Flüssigkeit ab, die bei der anschließenden Kondensation dieses Dampfes im Kondensator entsteht.
In der Vergangenheit waren für die Optimierung von ORC-Anlagen teure Lösungen erforderlich. Die meisten Probleme können heute mit Wärmetauschern gelöst werden. Ihre Eigenschaften garantieren eine gute Systemleistung sowie einen zuverlässigen und leisen Betrieb. Ein organisches Medium, das einer niedrigeren Verdampfungstemperatur als Wasser hat, ermöglicht die Gewinnung von Strom aus der Verbrennung von Biomasse, Biogas oder Wärme aus Industrieabfällen.
Nachkühler mit Dampfüberhitzungsfunktion
Die heiße Kondensatflüssigkeit aus dem Kondensator kann verwendet werden, um den kalten Dampf aus dem Verdampfer mit Hilfe eines Wärmetauschers zu überhitzen. Der gelötete Plattenwärmetauscher sorgt für ein höheres Maß an Kondensatunterkühlung hinter dem Kondensator. Dadurch wird der Dampfgehalt des Kältemittels hinter dem Expansionsventil verringert, was die Verteilung des Kältemittels im Verdampfer verbessert und dessen Effizienz erhöht. Darüber hinaus überhitzt der Wärmetauscher den Dampf hinter dem Verdampfer, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass Flüssigkeit in den Kompressor gelangt ( Flüssigkeitsschlag) , minimiert wird. Der Wärmetauscher fungiert als Nachkühler mit einer Überhitzungsfunktion für den Dampf hinter dem Verdampfer.
