WÄRMERÜCKGEWINNUNG BEI AERZEN TURBOS, GEBLÄSEN UND VERDICHTERN Kosten senken bei der Drucklufterzeugung
KOSTEN SENKEN BEI DER DRUCK- LUFTERZEUGUNG ENERGIEPOTENZIALE NUTZEN. Schwindende Ressourcen, strengere Umweltauflagen, steigende Energiekosten darüber, dass effizientere Energienutzung sinnvoll und notwendig ist, besteht branchenübergreifend Konsens. Speziell bei der Drucklufterzeugung sind Maßnahmen zur Energieeinsparung sehr sinnvoll, zumal Aufwendungen für Energie den größten Teil der Lebenszykluskosten darstellen. Mit vergleichsweise einfachen und überschaubaren Maßnahmen können Sie die für die Drucklufterzeugung aufgewandte elektrische Energie zu einem großen Teil zurückgewinnen und den Gesamtwirkungsgrad Ihrer Drucklufterzeugung erhöhen. Druckluft bei reduziertem Energieeinsatz. Bei der Drucklufterzeugung fällt aus thermodynamischen Gründen immer Abwärme an, da die elektrische Energie der Antriebsleistung in Wärme umgewandelt wird. In vielen Fällen geht diese Wärme bisher ungenutzt verloren. Sie wird durch Abluftkanäle, bzw. Ventilatoren nach außen geführt oder durch die Druckluftverteilung abgegeben, während nebenan die Heizungsanlage läuft. Das ist vor dem Hintergrund der Diskussionen zu Klimawandel und Reduzierung des CO 2 -Fußabdrucks nicht nachvollziehbar. Eine rundum perfekte Lösung. AERZEN bietet smarte Wärmerückgewinnungssysteme an, mit denen Sie diese Energie zum Beispiel für wärmegeführte Produktionsprozesse, Warmwasseraufbereitung oder Heizzwecke nutzen können. Dafür eignen sich vor allem Druckluftanlagen mit hohen Laufzeiten. Durch Rückgewinnung der im Verdichtungsprozess erzeugten Wärme können Sie als Betreiber Energie sparen und Ihre Wettbewerbsfähigkeit signifikant erhöhen. Nur Unternehmen, die alle eingesetzten Ressourcen sinnvoll und ökologisch managen, werden auch längerfristig erfolgreich bleiben und dem Wettbewerb eine Nasenlänge voraus sein. Energiebilanz eines typischen trockenlaufenden einstufigen Schraubenverdichters. 85 % rückgewinnbare Energie druckseitiger Gasstrom 5 % Wärmeabstrahlung 5 % Motorverluste Motor 5 % mechanische Verluste Ölkühler Verdichterstufe Schallhaubenlüfter 5 % Abwärme vom Antriebsmotor 5 % mechanisch erzeugte Abwärme 5 % Wärmeabstrahlung 100 % gesamte elektrische Leistungsaufnahme 85 % nutzbare Energie zur Wärmerückgewinnung 2
Kriterien für die Nutzung der Energie aus der Druckluft. Voraussetzung für eine wirtschaftliche Wärmerückgewinnung ist, dass die Prozesse aufeinander abgestimmt sind und die zum Prozess benötigte Kühlwasseraustrittstemperatur erreicht wird. Beispiele zur Nutzung des Kühlwassers vom Wärmetauscher bzw. der Abwärme: Klärschlammtrocknung 40 bis 50 C, Warmwasser und Versorgungsluft vorheizen 30 bis 50 C, Warmwasserleitung Vorlauf 40 bis 60 C, Gebäudeheizung Vorlauf 60 bis 85 C. Nutzbares Temperaturniveau. T zwischen Abwärmequelle und Wärmesenke (Verbraucher) sollte mindestens 5 bis 10 K betragen je höher desto besser. Wärmemenge und Wärmeleistung. Die zurückgewonnene Energie muß auf den eingesetzten Prozess ausgelegt sein, damit möglichst für Spitzenbedarfe kein weiterer Wärmeerzeuger zur Verfügung gestellt werden muss. Kontinuität der Nutzung. Wärmerückgewinnung kann sich auch bei geringen Abwärmemengen lohnen, wenn die Anlage eine hohe Auslastung erreicht. Räumliche Nähe. Abwärmequelle und Wärmesenke sollen möglichst nah beieinander liegen, um Transportverluste und Leitungskosten gering zu halten. Zeitliche Übereinstimmung. Je genauer Wärmequelle und Wärmesenke im zeitlichen Verlauf übereinstimmen, also synchron sind, desto effizienter kann die Abwärme genutzt werden. Passen Bedarf und Angebot nicht vollständig zusammen, kann ein Wärmespeicher die Lösung sein. Betriebsstunden und Nutzungsdauer. Je länger die Anlagen in Betrieb und je höher die Auslastungen sind, desto wirtschaftlicher. Investitionskosten. Je größer der Aufwand für Speicherung und Transport der Wärme, desto höher die Investitionskosten. Versorgungssicherheit. Wird ein sensibler Prozess nur mit Abwärme betrieben, muss ggf. ein redundantes Wärmeerzeugungssystem bereitgestellt werden, falls die Abwärmequelle ausfällt. Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung. Luftgekühlte Gebläse, Turbos oder Verdichter mit Schallhaube sind optimal für die Nutzung der Abluft zur Raumheizung geeignet. Dazu wird die Abluftkulisse des AERZEN-Aggregates mit einem Abluftkanal ausgestattet. So können die Kühlluft für die Verdichterstufe, den Schalldämpfer und das Rohrleitungssystem unter der Schallhaube sowie die Abluft vom Ölkühler sinnvoll zur Raumerwärmung genutzt werden. Die Abwärme mit einer Temperatur von ca. 30 bis 60 C wird über den Abluftkanal gebündelt und kann dann über Luftkanäle in die zu 1.400 heizenden Räume geleitet werden. Durch temperaturgesteuerte Klappen wird eine geregelte, einstellbare Raumtemperatur erzielt. Noch mehr Abwärmepotenzial hat der druckseitige Gasstrom selbst. In ihm sind bis zu 85 % der elektrischen Energie in Form von Wärme gebunden. Diese Energie lässt sich über einen kompakten Wärmetauscher gewinnen, der in der Rohrleitung hinter dem Verdichter (Druckseite) eingebaut wird. Energiekosten Service und Wartung Investition WRG über den Wärmetauscher WRG über die Abwärme Laufzeit: 10 Jahre Restwert: 15 % vom Anschaffungswert Energiekosten: 0,20 /kwh 1.200 Tausend 1.000 800 600 400 200 2.000 4.000 8.000 Drehkolbengebläse GM35S 2.000 4.000 8.000 2.000 4.000 8.000 2.000 4.000 8.000 Drehkolbenverdichter D62H Turbogebläse TB100-1.0S Schraubenverdichter VM 45G5-E Typenbezeichnung & Laufzeiten (Bh) Beispiele für Wärmerückgewinnung Klärschlammtrocknung Warmwasser für Dusch- und Waschräume Speisen von zentralen Heizsystemen Warmluftheizung für Betriebsräume Warmluft für Trocknungsprozesse Aufbau von Warmluftschleusen Vorerwärmung von Brennerluft Raumtemperierung Lackiererei Galvanik Trocknung von Werkstücken Schwimmbeckenaufheizung Nutzwasser für Kantinen und Großküchen Reinigungswasser in der Lebensmittelindustrie 3
EINSATZGEBIETE DER AERZEN MASCHINEN. In der pneumatischen Förderung. Für pneumatische Förderaufgaben werden vornehmlich Verdrängermaschinen, also Gebläse, Drehkolbenverdichter (Delta Hybrid) und Schraubenverdichter eingesetzt. Die maximale Luftaustrittstemperatur eines Schraubenverdichters kann z. B. 280 C erreichen. Prozessbedingt muss die Luft oftmals auf deutlich unter 50 C heruntergekühlt werden. Dem Verdichter, Delta Hybrid oder Gebläse wird ein Wärmetauscher und ggf. Kondensatabscheider nachgeschaltet. Diese erzeugen zwar zusätzliche Druckverluste, die aber marginal sind im Vergleich zu der zurückgewinnbaren Energiemenge. Die Wärmerückgewinnung in der pneumatischen Förderung wird für gewöhnlich auf eine geringe Gasaustrittstemperatur bei optimaler übertragener Wärmemenge ausgelegt. Silo 3474 mbar 2584 Nm 3 /h Zellradschleuse 15 C offen geschlossen 20 C 2584 Nm 3 /h 29 C Heizung + Warmwasser + Prozesswärme Verdichterstation 39 C Wärmetauscher ARS 250 ausgetauschte Wärmemenge 193 kw 3500 mbar 220 C ARS 250 Fall 1 Fall 2 Fall 3 Ansaugvolumenstrom in Nm 3 /h 2584 2584 2584 Kühlereintrittstemperatur in C 220 220 220 Druckverlust im Kühler in mbar 26 26 26 Energieaufwand zur Kompensation 0,7 0,7 0,7 des Druckverlustes im Kühler in kw Kühlwasserdurchfluss in m 3 /h 3 5 7 Kühlwassereintrittstemperatur in C 25 25 15 Gasaustrittstemperatur in C 44 55 39 Kühlwasseraustrittstemperatur in C 75 39 29 ausgetauschte Wärmemenge in kw 171 175 193 gesamte Kupplungsleistung in kw 198 198 198 zurückgewonnene Energie in % 86 88 97 Fall 1: Warmwasser > 70 C Fall 2: erhöhter Kühlwasserstrom Fall 3: erhöhter Kühlwasserstrom und übertragene Wärmemenge optimiert 4
Bei der Abwasseraufbereitung. In Kläranlagen werden in der Regel Gebläse, Delta Hybrid und Turbos eingesetzt, die maximale Luftaustrittsstemperaturen von 140 C erreichen. Ein Kondensatabscheider ist nicht notwendig. Kläranlagen stellen die größten Stromverbraucher in Städten und Gemeinden dar. Deshalb besteht aufgrund der derzeit herrschenden Unsicherheit bezüglich der künftigen weltweiten Energiematrix und des daraus resultierenden Energiemarktpreises dringender Bedarf zur Steigerung der Energieeffizienz. Durch den Einsatz eines Wärmetauschers mit geringer Druckdifferenz (< 30 mbar) verbraucht die Gebläsestation nur unwesentlich mehr Energie (< 2 % der Antriebsleistung). Die Energieeinsparung beträgt hingegen ein Vielfaches der zusätzlich benötigten Antriebsleistung. Die Wärmerückgewinnung für Kläranlagen wird, z. B. zur optimalen Unterstützung der Klärschlammtrocknung, für gewöhnlich so ausgelegt, dass ein Kühlwasserrückfluss vom Wärmetauscher mit > 70 C bei maximaler übertragener Wärmemenge generiert wird. ARN 550 Fall 1 Fall 2 Fall 3 Ansaugvolumenstrom in Nm 3 /h 9222 9222 9222 Kühlereintrittstemperatur in C 96 96 96 Druckverlust im Kühler in mbar 21 21 20 Energieaufwand zur Kompensation 6,6 6,6 6,6 des Druckverlustes im Kühler in kw Kühlwasserdurchfluss in m 3 /h 3,6 8 8 Kühlwassereintrittstemperatur in C 45 45 25 Kühlwasseraustrittstemperatur in C 73 59 48 ausgetauschte Wärmemenge in kw 115 132 183 gesamte Kupplungsleistung in kw 282 282 282 Belebungsbecken 779 mbar 9222 Nm 3 /h 62 C offen geschlossen zurückgewonnene Energie in % 41 47 64 20 C 9222 Nm 3 /h Heizung + Warmwasser + Klärschlammtrocknung 45 C 73 C Wärmetauscher ARN 550 ausgetauschte Wärmemenge 115 kw 800 mbar 96 C Fall 1: Warmwasser > 70 C Fall 2: erhöhter Kühlwasserstrom Fall 3: erhöhter Kühlwasserstrom und übertragene Wärmemenge optimiert Gebläsestation 5
VORTEILE UND NUTZEN MIT DEM AERZEN NACHKÜHLER. Hohe Energieeinsparung Punktgenaue Auslegung Großes Einsatzgebiet Kostengünstige Drucklufterzeugung dank effizienter Wärmerückgewinnung Auslegung der Wärmetauscher nach höchster übertragbarer Wärmemenge bei geringstem Druckverlust. Wasser-Luft-Nachkühler sind auch für hohe Eintrittstemperaturen bis 280 C und in Edelstahl verfügbar. Nachrüstung jederzeit möglich Hohe Flexibilität Großer Anwendungsbereich Auch ältere Druckluftanlagen können energetisch optimiert werden. Dank des Einsatzes eines externen Wärmetauschers können verschiedene Baugrößen gewählt werden. Es gibt vielseitige Anwendungsmöglichkeiten zur Nutzung der zurückgewonnenen Energie. Geringe Investitionskosten Alles aus einer Hand Erweiterungsmöglichkeiten und Zubehör Durch das gute Verhältnis der Kosten zur zurückgewonnenen Energiemenge ergibt sich eine schnelle Amortisation. Service und Wartung erfolgen vollständig durch das kompetente AERZEN-Team. Nachkühler aus Edelstahl und passende Kondensatabscheider. Jahresdauerlinie und Teillast. Anhand einer Jahresdauerlinie lässt sich bei einer Anlagenauslegung auf Teillast abschätzen, welcher Anteil des Wärmebedarfs mit der Anlage abgedeckt werden kann. Das abgebildete Beispiel für eine Heizungsanlage zeigt, dass die Spitzenleistung nur wenige Stunden im Jahr benötigt wird. Bei einer Auslegung der Anlage auf 15 bis 25 % des Leistungsbedarfs können aber bereits 50 bis 70 % des Wärmebedarfs abgedeckt werden. Für andere Anwendungen ist eine Einzelfallbetrachtung erforderlich. Wärmebedarf in kwh 110 % 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % Verfügbare Wärmemengen. Die Basis einer optimalen Abwärmenutzung ist die Ermittlung der verfügbaren Wärmemenge. Diese hängt von der nutzbaren Temperaturdifferenz, dem Massen-, bzw. Volumenstrom, der zeitlichen Verfügbarkeit sowie der spezifischen Wärmekapazität des Wärmeträgermediums ab. 30 % 20 % 10 % 0 % 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 Betriebsstunden des Verbrauchers pro Jahr 6
Eigenschaften der Nachkühler. Die Funktion: Komprimiertes Medium strömt durch die Kühlerrohre, Kühlwasser umspült die Rohre im Gegenstrom. Das Lamellendesign der Rohre sorgt für effektiven Wärmeübergang bei geringem Druckverlust. Die Varianten: fest eingebaute oder demontierbare Rohrbündel, glatte oder gerippte Rohre, aus Edelstahl bei hohen Gastemperaturen, aus Kupfer-Nickel bei Meerwasser. Das Zubehör: Zyklonabscheider Kondensatableiter Flansch- und Gegenflansch-Kits Mit unserem Auslegungs-Tool können wir Ihnen sofort den passenden Wärmetauscher für Ihre Anlage anbieten! Technische Daten Kühleranschlüsse Abmessungen mm Gewicht kg Typ Wärmetauscher Luft Wasser A B C AFN027 DN100 1¼" 900 133 670 28 AFN036 DN100 1¼" 900 139,7 670 34 AFN050 DN125 1¼" 1300 168,3 1100 84 AFN060 DN150 1¼" 1300 193,7 1100 105 AFN/ARS090 DN200 1¼" 1300 244,5 1100 143 ARN/ARS130 DN250 1½" 1300 27 1050 224 ARN/ARS170 DN300 2" 1300 323,6 1050 280 ARN/ARS200 DN350 2" 1300 355,6 1050 370 ARN/ARS250 DN350 DN65 1500 375 1100 400 ARN/ARS350 DN450 DN80 1500 450 1200 585 ARN/ARS450 DN500 DN100 1500 519 1100 690 ARN/ARS550 DN600 DN100 1500 570 1100 1020 Erläuterungen der Typenbezeichnung. A F N 550 ARN demontierbare Rohrbündel AFN feste Rohrbündel Durchflussleistung in m 3 /min bei Ansaugluft 25 C, 60 % rf, 7 bar Betriebsdruck und 120 C Kühlereintrittstemperatur N = bei Standardbedingungen Kupferrohre, Rohrböden aus Normalstahl, Umlenkbleche für feste Rohrbündel aus Aluminium und für ziehbare Rohrbündel aus Messing, Kühlermantel aus Normalstahl S = bei Temperaturen > 200 C Rohre, Rohrböden und Umlenkbleche aus Edelstahl, Kühlermantel aus Normalstahl A = Ausführung komplett in Edelstahl C = bei Kühlung mit Seewasser Rohre, Rohrböden, Umlenkbleche und Kühlermantel aus Kupfer-Nickel F = feste Rohrbündel, R = ziehbare Rohrbündel AERZEN Wasser-Luft-Kühler A= Kühlerlänge (ohne Flansche) in mm B= Flanschbreite in mm C= Abstand der Wasseranschlüsse in mm Die genauen Einbaumaße werden in der Projektierungsphase festgelegt. C A B 7
AERZEN. Verdichtung als Erfolgsprinzip. Die Aerzener Maschinenfabrik wurde 1864 gegründet. 1868 haben wir das erste Drehkolbengebläse Europas gebaut. 1911 folgten die ersten Turbogebläse, 1943 die ersten Schraubenverdichter und 2010: das erste Drehkolbenverdichter-Aggregat der Welt. Innovationen made by AERZEN treiben die Entwicklung der Kompressortechnik immer weiter voran. Heute zählt AERZEN weltweit zu den ältesten und bedeutendsten Herstellern von Drehkolbengebläsen, Drehkolbenverdichtern, Drehkolbengaszählern, Schraubenverdichtern und Turbogebläsen. Und in vielen Anwendungsbereichen zu den unangefochtenen Marktführern. In über 45 Tochtergesellschaften auf der ganzen Welt arbeiten mehr als 2.000 erfahrene Mitarbeiter mit Hochdruck am Fortschritt in der Kompressortechnologie. Ihre technische Kompetenz, unser internationales Expertennetzwerk und die stetige Rückkoppelung mit unseren Kunden sind die Basis unseres Erfolgs. Produkte und Dienstleistungen von AERZEN setzen Maßstäbe. In puncto Verlässlichkeit, Wertbeständigkeit und Effizienz. Fordern Sie uns heraus. Aerzener Maschinenfabrik GmbH Reherweg 28 31855 Aerzen / Germany Telefon: +49 5154 81-0 Fax: +49 5154 81-9191 info@aerzener.de www.aerzen.com A1-030 00 DE 600 04.2016