Bei der effizienten Gestaltung chemischer Prozesse bietet vor allem die Wärmetechnik ein erhebliches Einsparpotential. Eine gut strukturierte und durchorganisierte Anlagenplanung hilft dabei frühzeitig, ungenutzte Potentiale aufzuzeigen und kostenintensive Schwachstellen zu eliminieren.
Dipl.-Ing. Walter Wagner
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In einer Ära, in der die Chemieindustrie mit den Herausforderungen des Klimawandels und der Notwendigkeit einer nachhaltigen Entwicklung konfrontiert ist...
Die industrielle Beheizung von Wärmeverbrauchern erstreckt sich über einen weiten Temperaturbereich. Da es kein Wärmeträgermedium gibt, das diesen vollständig abdeckt, ist jeweils der Wärmeträger auszuwählen, der die wirtschaftlichste Lösung bietet. Synthetische Wärmeträgeröle haben hierbei einige Vorteile: Im Gegensatz zu Wasser entstehen beispielsweise keine Frost- oder Korrosionsschäden. Daraus resultiert ein verbesserter Wärmeübergang, kombiniert mit einer längeren Lebensdauer. Berücksichtigt der Anwender strömungs- und wärmetechnische Auslegungsgleichungen, so können Wärmeübertragungsanlagen mit Thermoöl im Temperaturbereich von -35 bis +350 °C wie eine überdrucklose Warmwasserheizung betrieben werden. Es ist bei der Auslegung der Wärmeverbraucher lediglich auf die Produktseite zu achten, da Ablagerungen den Wärmeübergang erheblich beeinflussen.
Indirekte Beheizungbesonders flexibel
Die indirekte Beheizung ist bezüglich ihrer Primärenergieversorgung außerordentlich flexibel. So kann z. B. aus Prozessen zurückgewonnene Abwärme ohne Anlagenveränderung in die Wärmeerzeugung und -verteilung eingebunden werden. Dabei ist im allgemeinen die Zuverlässigkeit einer zentralen Feuerung größer, als die vieler Einzelfeuerungen. Mit Hilfe der indirekten Beheizung läßt sich die Temperatur des Wärmegutes sehr genau und gleichmäßig regeln, was örtliche Überhitzungen vermeidet. Eine Anpassung der Vorlauftemperatur an die Erfordernisse macht einen Erhitzer in unmittelbarer Nähe des Verbrauchers unnötig. Dies senkt die Entzündungs- und Explosionsgefahr. Ferner zeichnet sich eine zentral beheizte Anlage gegenüber einzelnen, direkt beheizten Verbrauchern durch einen höheren Wirkungsgrad aus. Besonders vorteilhaft ist auch, daß sich die Wärmeenergie im Medium zwischenspeichern läßt. Dies gewährleistet bei stark schwankendem Wärmebedarf mit kurzzeitig hohen Spitzenauslastungen eine gleichmäßige Wärmeversorgung.
Sicherheitstechnische Ausrüstung
Durch die Plazierung der Pumpe im Rücklauf wird im Erhitzer ein höherer Druck auf den Wärmeträger ausgeübt. Auf diese Weise werden Ausdampfungen vermieden. Des weiteren ergibt sich ein Vorteil bei der erforderlichen Pumpenzulaufhöhe (NPSH) und bei Parallelschaltungen von Erhitzern. Bei Temperaturen des Wärmeträgers über 300 °C empfiehlt es sich allerdings, Stickstoff als Inertgasabdeckung im Ausdehnungsgefäß einzusetzen. Die sicherheitstechnische Ausrüstung besteht aus
• einer Strömungssicherung zur Überwachung des Volumenstroms,
• einem Niveauschalter im Ausdehnungsbehälter, damit die Anlage nicht teilweise trocken gefahren werden kann,
• einem Sicherheitstemperaturbegrenzer zur Überwachung der Vorlauftemperatur auf die für den Wärmeträger zulässige Temperatur und
• einem Rauchgastemperaturbegrenzer.
Bei Integration der Brennersteuerungen in frei programmierbare Steuerungen ist diese aus sicherheitstechnischen Gründen entweder redundant oder parallel mit einem elektronischen Brennersteuergerät auszurüsten. Das gleiche gilt für die Strömungsüberwachung, wo bei Verwendung elektronischer Bauteile (Druck-/Differenzdrucktransmitter) ein bauteilgepüfter Strömungswächter aus Sicherheitsgründen eingesetzt werden sollte.
Energie für den Erhitzer
Eine der ersten Fragen, die sich bei der Planung einer wärmetechnischen Anlage stellt, ist die nach dem richtigen Brennstoff. Als Beheizungsenergie für den Erhitzer eignen sich prinzipiell feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe. Aber auch elektrische Energie und heiße Abgase können verwendet werden.
Der Einsatz von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen ermöglicht eine kompakte Erhitzerkonstruktion. Aus Transportgründen wird diese als Einzeleinheit bis ca. 35 MW Feuerungswärmeleistung hergestellt. Dabei beträgt die Heizflächenbelastung an der höchstbelasteten Stelle bis über 20 W/cm².
Ebenfalls wichtig ist eine klar definierte Strömungsverteilung, wobei für Leistungen bis ca. 14 MW dem Einstrangsystem der Vorzug zu geben ist. Jedoch kann bei höheren Leistungen eine Aufteilung in Parallelströmungen sinnvoll sein. Für die Auslegung dieser Bauform sind zusätzliche Wärmebilanzen und eine genaue Berechnung der parallelen Wärmeträgerströme erforderlich.
Rohre als Heizadern
Dem Rohrleitungssystem kommt aufgrund seiner Aufgabe als Wärmeverteiler eine besondere Bedeutung zu. Daher sind eventuelle Leckagen an Flanschen, Armaturen und Pumpenwellen nicht zu unterschätzen. Die Abdichtungselemente sind sorgfältig auszuwählen, wobei neben Druck und Temperatur auch der Wärmeträger zu beachten ist. Armaturen mit Faltenbalg und Pumpen mit Gleitringdichtungen sind zu empfehlen. Zukünftige Erweiterungen des Rohrleitungssystems sollten ebenso wie Wärmeausdehnungen bereits bei der Anlagenplanung berücksichtigt werden. Bei der Montage des Rohrleitungssystems sollten die sachgerechte Verlegung, Unterstützung und Halterung sowie fachgerechte Ausführung der Schweißnähte selbstverständlich sein.
Energie sparen als Notwendigkeit
In H-K-T-Anlagen (Heizen-Kühlen-Tiefkühlen) werden alle Verbraucher (z. B. Reaktoren, Rührwerke, Kalander) mit einem Wärmeträgermedium in einem Wärmeträgerkreislauf temperiert. Im Gegensatz dazu werden bei der konventionellen Methode der Temperatursteuerung die verschiedenen Primärenergien für Heizen (Heißwasser/Dampf), Kühlen (Kühlwasser) und Tiefkühlen (Sole) direkt an den Verbraucher herangeführt. Eine Wärmerückgewinnung senkt die physikalisch gegebenen hohen Abgastemperaturen.
Solarenergie als Energiequelle
Weltweit werden die Anstrengungen verstärkt, Solarenergie direkt zu nutzen. Da für industrielle Prozesse aber oft hohe Temperaturen benötigt werden, muß die Sonnenwärme zunächst über Spiegel oder Parabolrinnen konzentriert werden. Für die Versorgung kontinuierlicher Prozesse ist zusätzlich eine Wärmespeicherung für den Nachtbetrieb notwendig. Als Wärmespeicher eignen sich hierfür Wärmeträgeröle, Salzschmelzen oder Dampf.
Hohe Wirkungsgrade
Mit Hilfe der Kogeneration läßt sich bei gleichzeitigem Bedarf von Elektrizität und Wärme (oder Kälte) die Energieversorgung unabhängig von den öffentlichen Stromversorgungsgesellschaften abdecken. Dies ist besonders interessant, wenn in Spitzenzeiten mit Stromabschaltungen und dem daraus resultierenden Produktionsausfall gerechnet werden muß.
Die aus dem Abgas zurückgewonnene Wärme läßt sich direkt zum Heizen oder über Absorptionsmaschinen zum Kühlen und Klimatisieren verwenden. Spezielle Prozesse ermöglichen, auf diesem Weg flüssiges Eis (Wasser mit Gefriermittelzusatz) mit Temperaturen bis -40 °C zu erzeugen. Anlagen dieser Art erreichen – abhängig von der zurückgewonnenen Wärmeenergie – Gesamtwirkungsgrade bis ca. 90%. Wärmeträgeranlagen auf Ölbasis nutzen hierbei den oberen Temperaturbereich der Abgase. Sie lassen sich ohne Probleme in die Gesamtanlage einbinden.
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