Wärmehaushalt optimiert

Uwe Rißmann, Albrecht Hild

Weichspüler werden der Wäsche im letzten Spülgang zugesetzt. Sie verbessern die Griffigkeit, vermeiden die unangenehme Trockenstarre, erleichtern durch Zusätze das Bügeln und helfen Gerüche zu binden. Die heute üblicherweise im Handel vertriebenen Produkte enthalten 20 bis 25 % kationische Tenside, den so genannten Esterquats, weiterhin Elektrolyte zur Einstellung der Viskosität, Dekorationsstoffe und sonstige Wirkstoffe in geringen Anteilen und im Rest (80 bis 70 %) Wasser. Das Kationtensid ist wasserunlöslich und muss bei höheren Temperaturen mit Wasser dispergiert werden. Da aber einige Rezepturanteile wärmeempfindlich sind, muss die eben erzeugte Dispersion vor der Zudosierung dieser Stoffe wieder abgekühlt werden. In einer kontinuierlich arbeitenden Dosier- und Mischanlage (Bild 1) wie dem Lewa WWS-Modul, das bis zu 15 m³/h abfüllfertige Formulierungen erzeugt, bedeutet dies, dass Wärmeenergien von mehreren hundert Kilowatt zu übertragen sind: zunächst mit der Beheizung des Wassers und des Esterquats, und anschließend mit der Abkühlung auf ein deutlich tieferes Niveau. In dieser Größenordnung sind die Energiekosten ein wesentlicher Anteil der Herstellungskosten. Es lohnt sich also, die apparative Technik solcher Herstellungsanlagen so zu optimieren, dass die Wärmeumsätze und damit deren Kostenanteil minimiert werden. Bei der Herstellung von Weichspülern mit dem WWS-Modul wird dazu ein Wärmetauscher zur Rückkühlung des fertigen Produkts mit dem zur Ausmischung erforderlichen Prozesswasser eingesetzt. Das Prinzip lässt sich auf andere Produktionsabläufe, in denen nacheinander warme und kalte Prozessschritte zu durchlaufen sind, übertragen.

Die nachfolgende Betrachtung bezieht sich auf eine Dispergiertemperatur von etwa 45 °C als gewichtetes Mittel der Rohstofftemperaturen. Außerdem werden weitere Energieeinträge über motorisch betriebene Mischmaschinen berücksichtigt. Aus Gründen der Stabilität des fertig ausgemischten Wäscheweichspülers muss am Austritt der Anlage eine Temperatur zwischen 10 und 30 °C eingehalten werden, andernfalls sind Veränderungen der Konsistenz möglich. Wünschenswert ist, die Produkttemperatur zu jedem Zeitpunkt konstant halten zu können. Weitere Voraussetzungen sind:

In herkömmlichen Anordnungen wird der Prozess energetisch so geführt, dass das Prozesswasser zunächst auf die erforderliche Mischtemperatur erwärmt wird. Dazu ist die rezepturgebundene Wärme erforderlich. Die Mischung nimmt im weiteren Anlagendurchlauf in Wärme dissipierte elektrische Leistung (4 und 6 in Bild 2) der Mischerantriebe auf. Diese Energien sind bei Verwendung von schnelllaufenden Rotor-Stator-Dispergiermaschinen erheblich. Am Ende des Mischprozesses bzw. vor Zugabe der Zuschlagstoffe durchströmt das Fluid einen Wärmetauscher, um dort eine Abkühlung durch Entzug der Wärme (5) zu erfahren. Bild 2 zeigt das Energieflussdiagramm des konventionellen Prozesstyps, links der Anlage die eintretenden Energieströme, rechts der Anlage die austretenden Energieströme. Die Summe der eintretenden ist gleich der Summe der austretenden Energieströme. Enthalpiestrom 2 muss aufgebracht werden, um eine definierte Mischtemperatur zu erreichen. Um danach das Produkt in einen stabilen Temperaturbereich zu überführen, muss nach dem Mischprozess der Enthalpiestrom 5 wieder abgeführt werden. Die zuzuführende Energiemenge (2) hängt vom Produktstrom, von der Temperatur des Prozesswassers und der Produktkonzentration ab. Bei 16 °C warmem Prozesswasser, 24 %igem Tensidgehalt und einer Anlagenleistung von 15 t/h resultieren ein Wärmestrom von 405 kW und jährlichen Energiekosten von ca. 65 000 EUR (Annahmen: Einschichtbetrieb; 250 Tage, Kosten 0,08 EUR/kWh, Mischtempereatur 45 °C). Die zu veranschlagenden Betriebskosten für anzusetzende Energien (5) sind vornehmlich Kosten für die Erzeugung des Umlaufstroms des Kühlmediums und für seine Aufbereitung. Soll die Produkttemperatur wesentlich unter die maximale Sommertemperatur der Umgebung gesenkt, also eine Kältemaschine eingesetzt werden, addieren sich weitere Kosten für die Temperaturabsenkung des Kühlmediums durch die Betriebskosten der Kältemaschine. Für den Energieumsatz sind dann insgesamt ca. 100 000 EUR Betriebskosten zu veranschlagen. Noch kostenintensiver wird die Prozessführung während des Winters. Bei sonst gleichen Parametern wird jetzt mit einer Eintrittstemperatur für das Prozesswasser mit lediglich 10 °C gerechnet. Die gesamte zuzuführende Energie erhöht sich im Beispiel nun auf 570 kW, davon sind 510 kW kostenrelevant. In einer Variante dieser Prozessführung werden zwei Wasserströme eingesetzt. Das Kationtensid wird mit einem warmen Wasseranteil dispergiert. Danach wird das restliche Rezepturwasser kalt zugegeben und gemischt. Hier sind die energetischen Bedingungen zwar tendenziell günstiger, der apparative Einsatz wird aber größer.

Zum Zwecke der Energieeinsparung ist es daher sinnvoll, die über das Prozesswasser eingebrachten Energien innerhalb der Bilanzhülle zu halten. Dazu ist eine Rückkühlung erforderlich, die den Energieinhalt des Produktstroms an den eintretenden Prozesswasserstrom überträgt. Während im obigen Fall die Art (Wasser, Glycol, Frigen etc.) und Zustandsgrößen (Massenstrom, Temperaturen) des Kühlmediums frei gewählt und der Aufgabenstellung angepasst werden können, sind diese Parameter im modifizierten Konzept fixiert. Das Kühlmedium ist jetzt das Prozesswasser selbst – mit einem über die Rezeptur definierten Massenstrom und mit der Vorgabe, die Austrittstemperatur so hoch wie möglich einzustellen. Um dabei ein Maximum an Energie bei kleinen Temperaturunterschieden zu übertragen, muss der Wärmetauscher für diesen Fall sehr viel größer als in Fall a dimensioniert werden. Mit der wachsenden Größe steigt auch der Einfluss des Wärmetauschers selbst auf die Sicherheit der Prozessführung. Zudem ist zu klären, bis wann sich die zusätzlichen Investitionen durch Energieeinsparung amortisieren.

Ein Energieeintrag in das System erfolgt auch beim modifizierten Konzept über den Wärmeinhalt der Rohstoffe, die in Wärme umgewandelten Bewegungsenergien und der abgegebenen Wärme des Heizmediums. Ein Energieaustrag erfolgt über die Wärmetönung des Produkts sowie über Wärmeverluste an die Umgebung. Bild 3 zeigt das Energiestromdiagramm. Ein wesentlicher Anteil des Gesamtenergieumschlags wird dem Prozess als Kreislaufstrom zurückgeführt, verbleibt somit innerhalb der Bilanzhülle und muss nur beim Hochfahren der Anlage von außen zugeführt werden.

Im Winter ergibt sich für das beschriebene Beispiel der energetisch günstigste Fall bei einer Prozesswassertemperatur von ca. 10 °C. Dabei wird das Tensid dem Prozess mit der geforderten Temperatur zugeführt und der Rückkühler ist so dimensioniert, dass nur die Verlustwärmen zugeheizt werden müssen. In diesem Fall verlässt der fertige Wäscheweichspüler die Anlage mit der tiefsten möglichen Temperatur von ca. 15 °C. Für den Sommerbetrieb mit einer höheren Prozesswassertemperatur ergibt sich dann die niederste zu erwartende Temperatur für das die Anlage verlassende Produkt mit etwa 22 °C. Über eine Bypass-Schaltung um den Wärmetauscher lassen sich auch noch diese Temperaturunterschiede ausgleichen.

In der Betriebsweise mit Rückkühlung sind der Mengenstrom (über die Rezeptur) und die Temperaturen über den Prozess selber festgelegt. Dies führt zu einem wesentlich größeren Wärmetauscher. Für die Betriebsweise ohne Rückkühlung ergibt sich unter den speziellen Randbedingungen eine Tauscherfläche von rund 30 m². Im modifizierten Konzept wird dagegen eine ca. 7-fach größere Tauscherfläche und eine Serienverschaltung benötigt. Außerdem ist für eine optimierte Auslegung des Apparats die individuelle Berücksichtigung der jeweiligen örtlichen Gegebenheiten unerlässlich.

Die Ausstattung des Lewa-WWS-Moduls mit allen Einrichtungen zur Rückkühlung des erzeugten Wäschweichspülers ist rentabel. Die Amortisationszeit der absoluten Kosten beträgt im Leistungsbereich 8 bis 15 t/h bei 2-Schichtbetrieb etwa zehn Monate, als Mehrkosten zu einer konventionellen Temperaturführung betrachtet sogar weniger als ein halbes Betriebsjahr. Berücksichtigt werden dabei neben den Energiekosten alle für den Prozess notwendigen Apparate und MSR-Einrichtungen.

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Produktübersicht von Lewa

MischerExpo – Virtuelle Ausstellung für Mischer, Rührer und Knetmaschinen