Einschränkungen für die Umsetzung von ermittelten HEXs können verschiedener Art sein:
- Distanz: Die zu kombinierenden Ener-gieströme (z.B. Abluft und Speisewasser) sind weit voneinander entfernt.
- Platzverhältnisse: Ein grosser Luft/Luft-HEX mit zugehörigen Luftkanälen in ei-ner Papierfabrik mit engen Platzverhält-nissen.
- Hygiene: Ein kondensierender HEX nach einem Sprühtrockner in der Nah-rungsmittelindustrie, durch den es bei Betriebsstörungen (Unterdruck) zu Kon-densatverunreinigungen im Sprühtrock-ner kommen kann.
- Druck(verlust): Der Druckverlust in ei-nem geplanten Economizer (Rauchgas-wärmerückgewinnung) ist für den instal-lierten Brenner im Dampfkessel zu hoch und ein zusätzlicher Rauchgas-Ventilator zu teuer.
- Umbaukosten: Bei bestehenden Anla-gen kann der Rückbau von alten HEXs eine bedeutende Investition bedeuten und den Payback eines HEX deutlich verschlechtern.
- Produktionsstillstand: Muss der Einbau von HEXs ausserhalb von geplanten Pro-duktionsstillständen erfolgen, gehen dem Betrieb wertvolle Produktionsstunden verloren. Diese können die Wirtschaft-lichkeit einer Massnahme sehr schnell zu Nichte machen.
- Sicherheit: Thermoöl kombiniert mit ei-ner ab 200°C chemisch reagierenden Flüssigkeit.
- Statik: Ein HEX ist für das Hallendach zu schwer.
- Flexibilität: Eine Verkoppelung von zwei Strömen in derselben Anlage erschwert das An- und Abfahren der Anlage oder schränkt die Flexibilität bei Produktions-änderungen und/oder zukünftigen Erwei-terungen ein.
- Materialien: Korrosive Stoffpaarungen, z.B. Salzsäure und Flusssäure, für wel-che es schwierig ist, ein gemeinsames korrosionsfestes HEX-Material zu finden.
Folgende gängige Probleme können durch kluge Definition der Stromtabelle vermieden werden:
- Fouling: Der geplante Abwasser-HEX benötigt wegen Fouling wesentlich mehr Fläche als mit der Pinch-Analyse gerech-net: Der α -Wert soll bereits in der Stromtabelle auf einen tieferen Wert ge-setzt werden.
- Unmögliche HEXs: Z.B. Vorwärmung von Kakaobohnen in einem Röster mit Abwasser. Die Ströme sollen immer so modelliert werden, dass Ihre Kombina-tion in einem HEX möglich ist! In obigem Beispiel soll die Röstluft anstelle der Ka-kaobohnen in die Stromtabelle aufge-nommen werden. (Die Erstellung der Stromtabelle wird ausführlich in Kapitel 9 beschrieben).
Ungleichzeitigkeit: Zwei Ströme, wel-che in der Pinch-Analyse als gleichzeitig betrachtet wurden, existieren in Realität nicht immer gleichzeitig. Dadurch kann die Verknüpfung der Ströme mittels HEX regelungstechnisch schwierig werden und das Einsparpotenzial durch den HEX wird überschätzt. Lösung: Exaktere zeitli-che Definition der auftretenden Ströme eines Prozesses oder Optimierung der Wärmeübertragung mittels Energiespei-chern.
Die Einschränkungen können jeweils bedingt oder unbedingt sein. Unbedingt sind sie, wenn sie ein un-kontrollierbares Sicherheitsproblem darstellen oder den HEX technisch verunmöglichen. Die meisten Einschränkungen sind jedoch bedingt: Eine techni-sche Lösung wäre theoretisch denkbar, aber die Mehrkosten für die Massnahme werden zu hoch.
Die Einschränkungen reduzieren die praktisch er-reichbare WRG und Abwärmenutzung verglichen mit den energetischen Zielwerten.
Bei der Planung von Anlagen ist es wichtig, die ver-schiedenen Arten von Einschränkungen im Hinter-kopf zu behalten, um nicht in der Ausführungsphase mit bedeutenden Mehrkosten oder sogar Sicher-heitsproblemen konfrontiert zu werden.
8 Optimierung der Energieversorgung
8.1 Einleitung
Dieses Kapitel ist der Optimierung der Energiever-sorgung bzw. der Hot und Cold Utilities gewidmet.
Mit der Pinch-Analyse werden dabei die Tempera-turniveaus der Utilities sowie deren Leistungen fest-gelegt. Ziel der Optimierung ist immer eine mög-lichst kostengünstige und bedarfsgerechte Energie-versorgung.
Aus exergetischen Gründen lassen sich folgende Hauptprinzipien für die Energieversorgung ableiten:
Beispiel Heizung: Wird ein Dampfsystem auf 12 bar(a) anstelle von 9 bar(a) betrieben, sind die Verteilverluste und die Exergieverluste in den HEXs grösser.
Beispiel Kühlung: Wird das Kühlniveau auf 0°C anstelle von 5°C festgelegt, muss die Kälteanlage mit einer niedrigeren Verdampfungstemperatur be-trieben werden, der COP ist tiefer und die Kühlkos-ten (Elektrizität) werden höher. Auch hier sind die Exergieverluste in den HEXs grösser.
Einen ersten Hinweis auf das nötige Tempera-turni-veau der Utilities liefern die CCs. Ausgehend von vertikaler Wärmeübertragung und somit maximaler Ausnützung des verfügbaren Temperaturgradien-ten können im nachfolgenden Beispiel die CCs in ein Kühlintervall C, 5 WRG-Intervalle und ein Hei-zintervall H (siehe Abb. 8-1) unterteilt werden.
Nun könnte man in erster Näherung annehmen, dass das optimale Kühlniveau ∆Tmin unterhalb der tiefsten Kühlanforderung liegt. Im Gegenzug könnte das optimale Heizniveau auf ∆Tmin oberhalb der höchsten Heizanforderung vermutet werden.
Tatsächlich ist es aber so, dass das ∆T in allen In-tervallen ausreichend gross ist, um mindestens ei-nen Teil der Wärme auch „schräg“ auf das nächst-höhere Enthalpieintervall übertragen zu können (z.B. von Intervall C auf Intervall 1). In der Folge kann das Heiztemperaturniveau gesenkt und das Kühltemperaturniveau gehoben werden.
Einzige Ausnahme ist natürlich Intervall 3: Dieses ist durch den Pinch und damit die minimale Tempe-raturdifferenz vom Intervall 4 getrennt.
Die „schrägen“ HEXs, welche auf eine exakte Ein-haltung des ∆Tmin ausgelegt sind (und nicht auf die maximal verfügbaren Temperaturgradienten), sind in Abb. 8-1 mit Pfeilen dargestellt. Sie können mit den CCs nicht systematisch analysiert werden. Eine neue Betrachtungsweise ist nötig: Die Grand Com-posite Curve (GCC).
Hinweis für die folgenden Kapitel: Das Prinzip der vertikalen Wärmeübertragung gemäss CCs und der „schrägen“ Wärmeübertragung gemäss GCC ist für das Verständnis v.a. der Kapitel 12 und folgen-der wichtig und sollte darum verinnerlicht werden!
Hauptprinzipien Utility-Platzierung
1. Heizenergie auf möglichst tiefem Tempera-turniveau
2. Kühlenergie auf möglichst hohem Tempe-raturniveau
Abb. 8-1: CCs und erste Annahme des Tempera-turniveaus der Energieversorgung.
T
H&
1 2
3 4
5 Tmin
∆
Tmin
∆
Tmin
∆
Q&CU
Q&HU
C
H
8.2 Grundlagen der Grand Composite Curve