K. Eicke Industrie- Wärmepumpen

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1 K. Eicke Industrie- Wärmepumpen

2 Ki /-8/78 Facinaufsatz Seite 689 K. Eicke* cfm :218 Industrie-Wärmepumpen In Großbetrieben, speziell in der Verfahrenstechnik, wo gekühlt und geheizt wird, bietet sich der Einsatz von Industrie-Wärmepumpen" an. Hierunter ist eine Wärmepumpenanlage zu verstehen, die im oberen Temperaturbereich arbeitet, also etwa bis 90 C. Diese ist gekennzeichnet durch spezielle Kältemittel, entsprechende Wärmeträger und ausgewogene Schaltungen, unter Einbeziehung des größtmöglichen Wärmerückgewinns. Industrial heat-pumps In large industrial undertakings, especially in chemical engineering where cooling and heating are required, "industrial heat-pumps" will find application. This will be a heat-pump set which operates in the upper temperature ränge, i.e. up to about 90 C. It is characterised by the Special refrigerant, suitable heat carriers and balanced wiring, and accounting for maximum heat gain. Pompes ä chaleur industrielles Dans les grandes entreprises et particulierement pour la technique des procedes, oü il est maintes fois refroidi et rechauffe, se presente la possihilite de rutilisation de»pompes ä chaleur industrielles^. On comprendra, sous cette terminologie, un ^quipement de pompes ä chaleur qui travaille dans la region des temperatures elevees, soit jusquä 90 C environ. Ceci est caracterise par des fluides refrigerants speciaux, des agents thermiques correspondants et des circuits equilibres sous la consideration de la plus gründe recuperation de chaleur possible. 1.1 Einsatzmöglichkeiten Anvvendungsmöglichkeiten ergeben sich in Molkereien, Ziegeleien, Tabakfabriken, Wurstlrocknungsanlagen, Textilfabriken, Ledervvarenfabriken, Gärtnereien, Brauereien, Weinbrennereien, galvanischen Anstalten, Destillationen, Holztrocknungsanlagen, Walzwerken, bei Härte- und Abschreckbädern und in der Chemischen Industrie. 1.2 Kriterien für die Auswahl der Industrie-Wärmepumpe M i t den z.z. gültigen Energiepreisen sind aus der Wärmepreis- Tabelle die spezifischen Wärmepreise für 1 Goal bzw. 1 G J zu ermitteln. Hieraus ergibt sich dann auch die günstigste Heizungsart. Ferner sind /h W e i n zu pasteurisieren durch Aufheizung v o n 15 auf 72 C, entsprechend einem Wärmebedarf v o n 1320 k W. Gesamter Wärmebedarf Q = 2340 k W. Auslegung der Anlage: Für das erste Verfahren ist eine Heizleistung v o n 1025 k W bei einer Wärmeträgertemperatur v o n 60 C erforderlich. Bei dem zweiten Verfahren w i r d durch V e r w e n d u n g v o n Plattenwärmeaustauschern mit einem Wärmerückgewinn v o n 85 % die Heizleistung auf 200 k W reduziert bei einer Wärmeträgertemperatur v o n 80 C. D a m i t beträgt die Gesamt-Heizleistung 1225 k W. Als Wärmequelle stehen Produktkühlwasser, Kühlwasser v o n Druckluft- und Kältemaschinen und Flußwasser zur Verfügung. Wärmepreise Energieart kcal/.. Heizwert kj/.. Heizmitteimenge.../Gcal.../GJ Einheitspreis DM/ spez. Wärmepreis DM/Gcal DM/GJ 1. schweres Heizöl /kg /kg 121,12 kg 28,93 kg 0,28./kg 33,92 8,10 2. leichtes Heizöl /kg /kg 114,00 kg 27,23 kg 0,33../kg 37,62 8,99 3. Erdgas 7400./m= /m^ 150,15 m= 35,86 m= 0,30 45,05 10,76 4. Flüssiggas /kg /kg 111,11 kg 26,53 kg 0,60../kg 66,67 15,92 5. E-Strom 860./kWh /kWh, 1162,79kWh 277,78 kwh 0,13../kWh 151,16 36,11 6. WPA = /kWh /kWh 581,40 kwh 138,88 kwh 0,13../kWh 75,58 18,05 7. WPA = /kWh /kWh 387,60 kwh 92,59 kwh 0,13../kWh 50,39 12,04 8. WPA = /kWh /kWh 290,70 kwh 69,44 kwh 0,13../kWh 37,79 9,02 9. WPA = /kWh /kWh 229,36 kwh 55,55 kwh 0,13../kWh 29,82 7, WPA = /kWh /kWh 1 93,80 kwh 46,29 kwh 0,13../kWh 25,19 6, WPA = /kWh /kWh 166,11 kwh 39,68 kwh 0,13../kWh 21,59 5,16 Die Wärmepumpenanlage besteht aus einem Die Aufstellung eines Kühl- und Heizprogrammes für den Tagesablauf und die Ermittlung der Temperaturbereiche sind grundlegend für Art und Größe der IWP. Danach werden die Kompressoren (Turbo-, Schrauben- oder Kolben-) und das Kältemittel (R12, R 1 2 B 1, R22, R 1 3 B 1... etc.) gewählt. Bei höheren Temperaturbereichen werden an Festigkeit der Anlagenteile, Schmierung und Abdichtung größere Anforderungen gestellt. A n folgenden Beispielen sollen Aufbau und Wirkungsweise erläutert werden: 2.1 Weinbrennerei Es sind /h Wein zum Sterilisieren von 15 auf 55 C aufzu heizen. Das entspricht einem Wärmebedarf v o n 1020 k W. gasmotorbetriebenen Schraubenverdichter-Aggregat mit einer Betriebskälteleistung v o n 580 k W u n d einer Kondensatorleistung v o n 812 k W. Der Verdichter w i r d v o n einem G a s m o t o r mit einer Leistung v o n 234 k W angetrieben. Die Abwärmeleistung beträgt 384 k W. I m Kondensator w i r d das Wärmeträgerwasser v o n 50 C auf 55 C bei einer Kondensationstemperatur v o n 60 C aufgeheizt. Mittels der Gasmotorabwärme w i r d das Wärmeträgerwasser für das Pasteurisieren v o n 70 C auf 80 C aufgeheizt. Die Anlage w i r d über ein dreizelliges Wassersammelbecken gefahren, wobei * Obering. Kurt Eicke ist Leiter des Techn. Verkaufsbüros Frankfurt der Firma SULZER-ESCHER WYSS GMBH. - Manuskript eingereicht im Mai Sonderdruck aus Ki Klima-F Kälte-Ingenieur, Heft 7-8/78, Seite Verlag C. F. Müller, Rheinstraße 122,7500 Karlsruhe 21

3 Ki /-S/TS Faclnaufsatz Seite 690 i m ersten Teil eine Temperatur v o n 80 C, i m zweiten Teil v o n 70 C und i m dritten Teil v o n 60 C erzielt wird. Der Wärmebedarf v o n 2350 k W w i r d durch die Energierückgewinnung in einem Plattenwärmeaustauscher auf 1225 k W reduziert. D a m i t stellt sich das innere Verhalten der Wärmepumpenanlage wie folgt dar: Kälteleistung Q. = 580 k W Heizleistung Q = 812 k W Verdampfungstemperatur t.= -)-3 C = 276 K Kondensationstemperatur t = -h60 C = K Hieraus resultiert eine Leistungszahl v o n (;erf = 3,5 Durch die Gasmotorabwärme verbessert sich die Gesamt-Leistungszahl auf: (: = 5,15. WEIN s-c Ausführung der Anlage: Für den Wärmerückgewinn stehen n u n 35 m ^ / h Überlaufwasser m i t 80 C zur Verfügung. I m Plattenwärmeaustauscher I wird dieses Wasser auf 50 C abgekühlt, entsprechend einer Wärmeaustauschleistung v o n k W. ivlit dieser Wärmemenge w i r d die Frischwassermenge v o n 25mVh für das Heißspülbad v o n 30 auf 72 C aufgeheizt. Die Nachheizung auf 80 C erfolgt durch die Wärmepumpenanlage mit einer Kondensatorleistung v o n 233 k W. Das v o n dem Wärmeaustauscher I k o m m e n d e Überlaufwasser m i t 3 5 m ^ / h und 50 C dient i m Wärmeaustauscher I I der Wärmepumpenanlage als Wärmequelle. Hierfür ist eine Wärmeaustauschleistung v o n 163 k W erforderlich. Es w i r d i m Wärmeaustauscher I I auf 46 C abgekühlt. D a das Überlaufwasser nur m i t 30 C dem Fluß zugeführt darf, erfolgt die Restkühlung v o n 46 auf 30 C über einen Kühlt u r m mit einer Wärmeaustauschleistung v o n 651 k W. Dieses Beispiel zeigt einen kombinierten Kühl- und Die Kühlleistung beträgt: werden Heizvorgang. für das Abschreckbad (80-30 C)= k W für das Heißspülbad (80-30 C) = 1455 k W 2035 k W D i e Heizleistung Qges beträgt für das Heißspülbad (80-30 C)=I455kW r WC 70'C WC - H - Die effektive Leistungszahl der Wärmepumpe beträgt O = =ff = 3,33 A - L D i e Gesamtleistungszahl ergibt sich zu Qges = 20,8 A - L H7C ABSChRECKBAO H ßS SPÜLBAD JO-C WA Bild 1 Gasmotor-Wärmepumpenanlage für Weinbehandlung I 2.2 Walzwerk A iifyabenstelhmg: In der Stahlbandfabrikation werden 30 t/h Stahl verarbeitet. Dieser ist nach der Verzinnung v o n 230 auf 80 C abzuschrecken. Das Abschreckbad ist i m m e r durch Zufuhr v o n Frischwasser auf 80 C zu halten. Nach dem Abschrecken durchläuft der Stahl ein Heißspülbad, das auf 80 C zu heizen ist. I m Abschreckbad wird die durch den Stahl zugeführte Wärme durch Frischwasser v o n 30 C kompensiert, so daß i m m e r SOgrädiges Wasser über den Überlauf abfließt. D i e abzuführende Wärmemenge ergibt sich zu kg Stahl 0, = 580 k W. Bei einer Wassereintrittstemperatur v o n 30 C beträgt die Frischwassermenge 10,0 m ^ / h und damit die Überlaufmenge ebenfalls 10,0 m ^ / h bei 80 C. Das Heißspülbad ist auf 80 C aufzuheizen und kontinuierlich mit 25 m ^ / h Frischwasser zu versorgen. Dieses Wasser ist v o n 30 C auf 80 C aufzuheizen, entsprechend einer Heizleistung v o n 1450 k W. Das Überlaufwasser läuft mit 2 5 m ^ / h und 80 C ab. Bild 2 WärmepumpenanlagefürStahlbandfabrikation. Prinzipschema: Hoher Wärmerückgew/inn mit Plattenwärmeaustauschern; R12-Kolbenkaltwassersatz. Wärmeträger: Wasser, Wärmequelle: Prozeßwasser 2.3 Gasentspannungsanlage Das m i t einem D r u c k v o n 36 bar a n k o m m e n d e Fern-Erdgas soll auf 6,0 bar bzw. 1,5 bar entspannt werden. Diese Entspan-

4 Ki 7-8/78 Fachaufsatz Seite 691 nung hat einen Temperaturabfall v o n 12 K (12 C) zur Folge. Die Temperaturabsenkung ist unerwünscht. Das Gas wird daher vor der Entspannung u m 12 K in einem Gasvorwärmer mittels Wasser von 60 K aufgeheizt. Der Wärmebedarf beträgt ca. 580 k W. Für die Wärmeversorgung stehen 2 gasgefeuerte Warmwasserkessel zur Verfügung. Diesen wird eine gasmotorbetriebene Wärmepumpenanlage parallelgeschaltet. Als Wärmequelle steht nur Außenluft zur Verfügung. Außaii der Anlage: Der Gasmotor mit 147 k W treibt über ein Getriebe einen R22- Schraubenverdichter an. Dieser hat eine Betriebskäheleislung von 220 k W bei einer Verdampfungstemperatur v o n 11 C, einer Kondensationstemperatur von C und einem Kraftbedarf v o n 132 k W. Dabei beträgt die Kondensatorleistung Q = 350 k W und die A b wärmeleistung des Gasmotors 233 k W. Die Warmwasserumwälzmenge beträgt 25 m^/h. Das Wasser erwärmt sich i m Kondensator von 40 C auf 52 C und in den Gasmotor-Wärmeaustauschern v o n 52 auf 60 C. Das 60%ige Wasser heizt i m Gasvorwärmer das Fern-Erdgas u m 12 C a u f Der Wärmeentzug der Außenluft erfolgt über einen Luftkühler mit direkter R22-Verdampfung. Dabei werden I m ^ / h Luft von 5 auf 8 C bei einer Verdampfungstemperatur von - 1 r C abgekühlt. Die effektive Leistungszahl der Wärmepumpe beträgt i:^ff = 2.6. Durch die Abwärmenutzung wird sie auf =4,45 verbessert. Das Heizungssystem ist als Wärmepumpen-Warmwasser-Heizungsanlage mit einer Betriebstemperatur von 45/40 C ausgelegt. Die Wärmeübertragung erfolgt über statische Heizflächen. Fußbodenheizung und Luftheizung. Ferner ist die Warmvvasserbereitung des Sozialtraktes an diese Anlage angeschlossen. Der Gesamtwärmebedarf wurde bei ta=-l2 C mit Q = k W ermittelt. Wärmeträger ist Wasser mit 45;40 C. Als Wärmequelle steht Brunnenwasser mit 11 C zur Verfügung, welches auf 6 C abgekühlt werden kann. Der maximale Brunnenwasserförderstrom beträgt m ' h = 240m-' h. Das abgekühlte Wasser wird über Schluckbrunnen wieder dem Erdreich zugeführt. r i,7 1 n r Bild 4 Kältemittel Kaltwasser Heizwasser 1 Turbokompressor 2 Kältemittel-Verflüssiger 3 Verdampfer 4 Kältemittel-Unterkühler 5 Förderbrunnen 6 Doppel-Förderpumpen 7 Filter 8 Druukkessei 9 Kaltwasser-Zwillingspumpen 10 Schluckbrunnen 11 Heizwasser-Zwillingspumpen 12 Membran-Ausdehnungsgefäß 13 Zirkülationspumpe für Turbostillstand 14 Brauch-Warmwasser-Vorwärmer 15 Elektr. Brauch-Warmwasser-Nachheizer 16 Warmwasser-Verbraucher 17 Warmwasser-Umwälzpumpe 18 Wärmetauscher-Luftheizung 19 Wärmetauscher Gebäudeheizung statisch Bild 3 Wärmepumpenanlage für Gasentspannungsanlage. Prinzip- Schema: R22-Schraubenverdichter mit Gasmotor, Heizleistung: kcal/h = 580 kw. Wärmeträger: Wasser 60 C, Wärmequelle: Außenluft -5 C, Kälteträger: R22-Direktverdampfer 2.4 Gebäudeheizung Der Verkehrsbetrieb Rhein-Wied G m b H. Neuwied, hat einen neuen Betriebshof für Kraftomnibusse erstellt und i m Jahre 1977 in Betrieb genommen. Die Anlage gliedert sich in: Betriebsdienstgebäude Betriebswerkstatt Wartüngshalle Sozial- und Technikteil Abstellhalle. 4

5 Ki y'-s/ts Fachaufsatz Seite 692 Aufbau der Anlage: Als Wärmepumpenaggregate. wurden 2 S U L Z E R E S C H E R W Y S S Turbokompaktaggregate T y p e Unitop U eingesetzt, die mit dem Sicherheitskältemittel R 1 2 arbeiten. D i e Betriebskälteleistung eines Aggregates beträgt 700 k W. D a m i t werden 120m^/h Brunnenwasser v o n 11 auf 6 C abgekühlt bei einer Leistungsaufnahme v o n 268 k W. Die Heizleistung beträgt 930 k W. Hiermit werden m ^ / h m Heizwasser v o n 40 auf 45 C aufgeheizt. Die effektive Leistungszahl beträgt e = 3,9. Beide Turboaggregate sind kahwasser- und warmwasserseitig parallel geschaltet. Die Wärmepumpen sind mit den Brunnenwasserpumpen elektrisch verriegelt. D u r c h Thermostate in der V o r - und Rücklaufleitung der Heizungsanlage werden die T u r b o maschinen über die stufenlose Leistungsregulierung angesteuert. Die Leistungsregulierung ermöglicht i m Bereich v o n 100 auf 10 % eine kontinuierliche Anpassung v o n Heizleistung an Wärmebedarf. v o n 581 k W werden in dem Bündelrohrverdampfer 50 m ^ / h Wasser v o n 25 auf 15 C abgekühlt. I m Kondensator werden 755 k W frei, die 108m^/h Wasser v o n 54 auf 60 C bei einer Kondensationstemperatur v o n 66 C aufheizen. Dabei beträgt die Leistungsaufnahme 226 k W und die effektive Leistungszahl efr = 3,6. M i t der Abwärmeleistung des Gasmotors v o n 382 k W verbessert sich die Leistungszahl auf «err = 6,0- Die Kondensationswärme w i r d an einen Warmwasserspeicher mit 60 C abgegeben. o o Fleischwarenfabrik Die vielfältigen Kühl- und Heizprobleme in einer Fleischwarenfabrik zwingen den energiebewußten Planer, Anlagen zu konr zipieren, die mit äußerst sparsamem Primär-Energieverbrauch arbeiten. Die relativ große Abwärmemenge v o n den Autoklaven mit Q = 2900 k W bei einem Temperaturniveau v o n -h40 C soll zurückgewonnen bzw. wieder nutzbar gemacht werden. Sie kann einer Wärmepumpenanlage als Wärmequelle dienen. D i e über die Wärmepumpenanlage erzeugte Wärme kann helfen, Primärenergie einzusparen bei der Warmwasserbereitung und der Gebäudeheizung. Aufbau der Anlage: D a das Kühlwasser der Autoklaven meist fetthaltig ist, wird es in einem gesonderten Kreislauf geführt. Die Wärmeabgabe an die Wärmepumpenanlage bzw. an den Kühlturm erfolgt über einen Plattenwärmeaustauscher. Dadurch wird das A u t o klavenkühlwasser v o n auf C abgekühlt. Als Wärmepumpenaggregat wird ein R12-Turbokaltwassersatz mit Gasmotorantrieb eingesetzt. Bei einer Betriebskälteleistung Bild 6 j V w v J V I TT i L. i j Gasmotor-Wärmepumpenanlage in einer Fleischwarenfabrik Dieses Warmwasser dient Reinigungszwecken. D i e Gasmotorabwärme w i r d auf einen zweiten Speicher v o n 80 C gegeben u n d steht hier für Gebäudeheizung und als Brauchwasser zur Verfügung. Die nicht benötigte Wärme wird über eine Wasserrückkühlanlage abgefahren.

6 Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft CH-8401 Winterthur Schweiz Sulzer-Escher Wyss GmbH D-8990 Lindau Bundesrepublik Deutschland SULZER ESCHERWYSS Deutschsprachiges Verkaufsgebiet: Schweiz: Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft Kälteanlagen, Kompressoren, Verfahrenstechnik CH-8401 Winterthur Telefon 0 52/ Telegramme: Gebsulzer Winterthur Telex Bundesrepublik Deutschland: Sulzer-Escher Wyss GmbH D-8990 Lindau Postfach 1380 Telefon /761 Telegramme: sulzerwyss lindaubodensee Telex Technische Verkaufsbüros in: 4300 Essen, Nedelmannstraße 2 Tel. (02 01) , Telex B B230 Frankfurt/M.-Griesheim, Griesheimer Ufer 19 Tel. (06 11) , Telex Hamburg 60, Bellevue 29 Tel. (0 40) , Telex Hannover, Weinstr. 16 Tel. (05 11) , Telex S800 Mannheim 1, Viktoriastraße 10 Tel. (06 21) , Telex München 40, Kaiserplatz 2 Tel. (0 89) , Telex Nürnberg, Ludwigsplatz 7 Tel. (09 11) , Telex Stuttgart 80, Heßbrühlstraße 49 Tel. (07 11) 73 B3 65, Telex Österreich: Gebrüder Sulzer, Escher Wyss Kältetechnik Ges.m.b.H. A-6923 Lauterach Langegasse 19 Telefon / Telex Technische VerkaufsbUros in: A-8010 Graz, Theodor-Körner-Str. 151 Tel. (03 16) A-9020 Klagenfurt/Ktn. Villacher Str. 25b, Tel. ( ) A-4600 Wels/OU, Bahnhofstraße 48 Tel. ( ) A-1110 Wien, Leberstr. 120 Tel. (02 22) , Telex V6170 Zirl/Tirol, Dorfplatz 9 Tel. ( ) Übrige Länder: Argentinien: Sulzer Hermanos S.A.C.l Buenos Aires (R. 74), Avd. Belgrano 865 Tel , Telex Belgien: S.A. Sulzer Belgium N.V Square Plasky, B-1040 Brüssel Tel. 02/ , Telex Brasilien: Sulzer do Brasil S.A Rio de Janeiro Caixa Postal C-00 Tel Telex subr. Dänemark: Aage Christensen A/S 1554 Kopenhagen V, Studiestraede 63 Tel. (01) , Telex Frankreich: Compagnie de Construction Mecanique Sulzer (COM) F Paris-Brune, Cedex 59 Tel. (01) , Telex f Großbritannien: Sulzer Bros. (U. K.) Ltd. Farnborough/Hampshire Tel. Farnb , Telex /2 Italien: De Pretto - Escher Wyss S.p.A Milano, Via San Senatore 6/3 Tel , Telex Luxemburg: Ferroknepper AG Esch Alzette, 80 Bd. J. F. Kennedy P.O.Box 201 Tel. B25-01, Telex 2507 Niederlande: Landaal-Schelde B.V. Strijkviertel 56 NL-3454 ZH-De Meern Tel. ( ) 34 34, Telex Norwegen; Sulzer Bros., Norge A/S Oslo 2, Riddervoldsgate 7 Tel , Telex Portugal: Sulzer Irmaos Lda Rua Castilho 1, 6» Dl 1118 Lisboa, Apartado 2702 Tel , Telex Schweden: Fr. Ramsiröm AB Skeppsbron 17-19, Box 31 S Härnösand Tel. (06 11) , Telex Spanien; Sulzer Espana S.A. Avenida del Generalisimo, 71-A, 10" Apartado E-Madrid 14 Tel , Telex Südafrika; Sulzer Bros. (South Africa) Ltd Johannesburg P.O. Box 930 Tel , Telex sa Weitere Sulzer Vertretungen in den meisten Ländern der Welt S-Bgi-10