Bei der Planung und Umsetzung von Prozessen und Anlagen wird heutzutage großen Wert auf die Energieeffizienz gelegt, um den CO2-Ausstoß zu verringern und damit die Umwelt, insbesondere die Atmosphäre, zu entlasten. Dazu soll vor allem der Einsatz von Primärenergie minimiert werden. Auch von politischer Seite her wird diese Zielsetzung verfolgt. Daher wurde am 01. Oktober 2009 die Energiesparverordnung in Kraft gesetzt.
Die Verwendung von Wärmeübertragern zur Prozessoptimierung durch die Abwärmenutzung in den Industrien, stellt bislang eine erfolgsversprechende Methode zur Effizienzsteigerung dar. Die Nutzung dieser innovativen Wärmerückgewinnungsapparate ermöglicht den Primärenergieverbrauch in Gewerbegebieten und den damit verbundenen CO2-Ausstoß erheblich zu reduzieren. Daher wird in dieser Projektarbeit auf verschiedene Wärmeübertrager eingegangen und das Anwendungspotential der Wärmeübertrager, unter Berücksichtigung verschiedener Einsatzbereiche, unter den Aspekten der Wirtschaftlichkeit, ökologischen Vorteile und Effizienz näher untersucht.
Es wird deutlich, dass die Integration bzw. Installation eines Wärmeübertragers in die Prozesse und Anlagen in den Industrien und im Gewerbe, einerseits zu erheblichen Effizienzsteigerungen führt und zum anderen führt dies zu Kosten- und Energieeinsparungen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Ziel der Projektarbeit
1.2 Aufbau der Projektarbeit
2. Theoretische Grundlagen
2.1 Wertigkeit der Energie-Systeme zur Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung
2.2 Allgemeines zu Wärmeübertragern
2.3 Wärmeübertragung
2.4 Stoffführung in Wärmeübertragern
3. Darstellung und Differenzierung verschiedener Wärmeübertrager
3.1 Wärmeübertragertypen
3.2 Doppelrohrwärmeübertrager
3.2.1 Aufbau und Funktionsweise
3.2.2 Vorteile und Nachteile
3.2.3 Anwendungsbereich
3.2.4 Technische Kenngrößen
3.3 Plattenwärmeübertrager
3.3.1 Aufbau und Funktionsweise
3.3.2 Vorteile und Nachteile
3.3.3 Anwendungsbereich
3.3.4 Technische Kenngrößen und Besonderheiten
3.3.5 Differenzierung der Plattenwärmeübertragerarten
3.4 Lamellen- bzw. Gegenstrom- Schichtwärmeübertrager
3.4.1 Aufbau und Funktionsweise
3.4.2 Vorteile und Nachteile
3.4.3 Anwendungsbereich
3.4.4 Technische Kenngrößen
3.5 Rohrbündelwärmeübertrager
3.5.1 Aufbau und Funktionswese
3.5.2 Vorteile und Nachteile
3.5.3 Anwendungsbereich
3.5.4 Technische Kenngrößen
3.6 Rotationswärmeübertrager
3.6.1 Aufbau und Funktionsweise
3.6.2 Vorteile und Nachteile
3.6.3 Anwendungsbereich
3.6.4 Technische Kenngrößen
3.7 Wärmerohr- Wärmeübertrager (Heatpiper)
3.7.1 Aufbau und Funktionsweise
3.7.2 Vorteile und Nachteile
3.7.3 Anwendungsbereich
3.7.4 Technische Kenngrößen
3.8 Rippenrohrwärmeübertrager
3.8.1 Aufbau und Funktionsweise
3.9 Vorteile und Nachteile
3.9.1 Anwendungsbereich
3.9.2 Technische Kenngrößen
3.10 Spiralwärmeübertrager
3.10.1 Aufbau und Funktionsweise
3.10.2 Vorteile und Nachteile
3.10.3 Anwendungsbereich
3.10.4 Technische Kenngrößen
3.11 Winderhitzer (Cowper)
3.11.1 Aufbau, Funktionsweise und Anwendungsbereich
3.11.2 Bauarten von Cowpern und ihre Vor- und Nachteile
4. Wirtschafts- und Effizienzkriterien für Wärmeübertrager
4.1 Effizienzkriterien
4.2 Wirtschaftskriterien
4.3 Kriterien für eine Abwärmenutzung
4.4 Wirtschaftlichkeit & Kostenanalyse
4.5 Eckpunkte für die Umsetzung einer Abwärmenutzung
4.6 Anhaltswerte für die Auslegung von Wärmeübertragern
5. Übersicht und Gegenüberstellung der Wärmeübertrager
5.1 Vergleich der Wärmeübertrager anhand der Effizienzkriterien
5.2 Vergleichende ökonomische Betrachtung der Wärmeübertrager
6. Fazit
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Projektarbeit ist die systematische Einordnung verschiedener Wärmeübertrager-Bauarten unter Berücksichtigung spezifischer Effizienz- und Wirtschaftlichkeitskriterien, um eine fundierte Auswahl für unterschiedliche industrielle Anwendungsbereiche zu ermöglichen.
- Technische Analyse und Differenzierung von neun gängigen Wärmeübertragertypen.
- Festlegung von Bewertungskriterien für Wirtschaftlichkeit und Effizienz in industriellen Prozessen.
- Vergleichende Gegenüberstellung der Wärmeübertrager basierend auf technologischen Parametern und Betriebskosten.
- Definition von Leitlinien für die Planung und Umsetzung einer effizienten Abwärmenutzung.
- Bewertung der Eignung spezifischer Apparate für unterschiedliche Medienkombinationen (Gas/Gas, Gas/Flüssigkeit, Flüssigkeit/Flüssigkeit).
Auszug aus dem Buch
3.1 Wärmeübertragertypen
Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen haben sich ebenso unterschiedliche Bauformen mit teilweise stark unterschiedlichen Funktionsweisen für die jeweiligen Anwendungen durchgesetzt. Allen gemeinsam ist jedoch, dass der Wärmetransport gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik stets vom Medium mit der höheren Temperatur zum Medium mit der niederen Temperatur verläuft. Je nachdem, ob die am Wärmeaustausch beteiligten Medien in direkten Kontakt zueinander geraten oder nicht, unterscheidet man zunächst in direkte und indirekte Wärmeübertrager. Direkt bedeutet, dass bspw. eine Abkühlung durch direkten Kontakt mit der Umgebungsluft stattfindet. Ohne direkten Kontakt der Medien, läuft die Wärmeübertragung in den als Mischwärmeübertrager, Rekuperator und als Regenerator bezeichneten Wärmeübertragern ab. Diese Wärmeübertragertypen werden im Folgenden näher erläutert
Die Rekuperatoren sind die umfangreichste Wärmeübertragergruppe. Ihr charakteristisches Merkmal ist, dass sich zwischen den Medienströmen stets eine Trennwand befindet (indirekte Wärmeübertragung). Diese wird als Wärmeübertragungsfläche bezeichnet. Die Wärmeübertragung ist somit durch zwei Wärmeübergänge der jeweiligen Medien mit der Wand und der Wärmeleitung durch die Trennwand gekennzeichnet.
Bei Regeneratoren wird die Fähigkeit zur Speicherung von Wärmeenergie eines Speichermediums genutzt. Die an der Wärmeübertragung beteiligten Medien überströmen oder durchströmen abwechselnd dieses Speichermedium und nehmen so abwechselnd Wärme auf bzw. geben Wärme ab. Dabei kann es zu mehr oder weniger leichter Vermischung der Gasströme kommen, da beide Ströme im Wechsel die gleichen Strömungskanäle passieren. Unter Umständen wird neben Wärme auch Feuchte übertragen [8] [10, pp. 11- 12].
Beim Mischwärmeübertrager erfolgt die Wärmeübertragung durch unmittelbare Berührung oder Mischung des warmen und des kalten Fluides [11].
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung erläutert den Hintergrund der Prozessoptimierung zur Abwärmenutzung und definiert das Ziel der Arbeit, verschiedene Wärmeübertrager-Typen ökonomisch und technisch zu bewerten.
2. Theoretische Grundlagen: Hier werden die thermodynamischen Grundlagen des Wärmetransports sowie die energetische Bewertung von Prozessen (Exergie und Anergie) vermittelt.
3. Darstellung und Differenzierung verschiedener Wärmeübertrager: Dieses Kapitel liefert eine detaillierte technische Beschreibung von neun ausgewählten Wärmeübertrager-Bauarten, inklusive deren spezifischer Funktionsweisen, technischer Kenngrößen sowie Vor- und Nachteilen.
4. Wirtschafts- und Effizienzkriterien für Wärmeübertrager: Hier werden die relevanten Parameter zur Bewertung von Wärmeübertragern definiert, wie etwa der Wärmebereitstellungsgrad, Stromverbrauch und Investitionskosten, um eine objektive Vergleichbarkeit zu schaffen.
5. Übersicht und Gegenüberstellung der Wärmeübertrager: In diesem Kapitel findet ein direkter Vergleich der Apparate anhand der zuvor festgelegten Kriterien statt, unterteilt nach verschiedenen Einsatzbereichen wie Gas/Gas oder Flüssigkeit/Flüssigkeit.
6. Fazit: Das Fazit fasst die Ergebnisse zusammen und betont die Notwendigkeit einer optimierten Auslegung, die stets einen Kompromiss zwischen technischer Effizienz und ökonomischer Wirtschaftlichkeit darstellen muss.
Schlüsselwörter
Wärmeübertrager, Abwärmenutzung, Energieeffizienz, Wärmerückgewinnung, Prozessoptimierung, Wärmedurchgang, Wirtschaftlichkeit, Amortisationszeit, Rekuperator, Regenerator, Wärmebereitstellungsgrad, Thermodynamik, Industrielle Prozesse, Wirkungsgrad, Abwärmequelle
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Projektarbeit befasst sich mit der wirtschaftlichen und effizienten Einordnung verschiedener Wärmeübertrager-Bauarten, um Abwärme aus industriellen Prozessen nutzbar zu machen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Themen umfassen die technischen Grundlagen der Wärmeübertragung, die Charakterisierung verschiedener Apparate, sowie die ökonomische und technische Bewertung von Wärmerückgewinnungssystemen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Hauptziel ist es, verschiedene Wärmeübertrager-Typen anhand festgelegter Wirtschafts- und Effizienzkriterien zu bewerten, um eine optimale Zuordnung zu spezifischen industriellen Anwendungsbereichen zu ermöglichen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine deskriptive und analytische Methodik angewandt, bei der die gängigen Wärmeübertrager-Typen einzeln detailliert beschrieben und anschließend anhand definierter Kriterien in einer vergleichenden Übersicht gegenübergestellt werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine detaillierte Beschreibung der neun wichtigsten Wärmeübertrager-Bauarten (vom Doppelrohr bis zum Winderhitzer) und ein Kapitel, das die methodischen Kriterien zur Effizienz- und Wirtschaftlichkeitsbewertung festlegt.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den prägenden Begriffen zählen Wärmeübertrager, Abwärmenutzung, Energieeffizienz, Wärmerückgewinnung, Amortisationszeit, Wirkungsgrad und die technische Differenzierung der Bauarten.
Warum ist das Gegenstromprinzip bei Wärmeübertragern so wichtig?
Das Gegenstromprinzip ermöglicht die größte mittlere Temperaturdifferenz zwischen den Medien, was den übertragenen Wärmestrom maximiert und bei gleicher Leistung eine kleinere Heizfläche erlaubt, was wiederum Kosten spart.
Welche Rolle spielt die Wirtschaftlichkeit bei der Auswahl eines Wärmeübertragers?
Die Wirtschaftlichkeit ist entscheidend, da sie über die bloße Technik hinausgeht und Faktoren wie Investitionskosten, Betriebskosten, Instandhaltung und die Amortisationszeit berücksichtigt, um eine langfristig sinnvolle Investition zu gewährleisten.
- Arbeit zitieren
- Nermine Osmani (Autor:in), 2013, Wirtschaftliche und effiziente Einordnung von Wärmetauschern zur Auskopplung von Abwärme in der Industrie, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/344998
