Conversion Unit
Eine Energy Conversion Unit (ECU) ist ein Ener-gieumwandlungssystem. Der Begriff wird in diesem Handbuch stellvertretend für Umwandlungssys-teme verwendet, welche mit dem Prozess interagie-ren. Das heisst, dass ECUs nicht oder suboptimal nutzbare Wärme verwenden, um diese für die An-lage (besser) nutzbar zu machen. Sie stehen damit im Gegensatz zu einer einfachen Utility (z.B.
Dampf, Rauchgase, Heisswasser, Kältemittel, Kühl-wasser usw.), welche lediglich „einseitig“ Wärme zu- oder abführen.
Die ECUs werden streng nach den 3 Hauptregeln der Pinch-Analyse eingesetzt und ausgelegt. In den folgenden Abschnitten wird auf die ECUs Wärme-pumpe sowie mechanische und thermische Brüden-verdichter (DampfstrahlBrüden-verdichter) eingegangen.
Wärmepumpe Falsche Platzierung
Die Wärmepumpe transferiert Wärme von einem tieferen Temperaturniveau auf ein höheres Tem-pe-raturniveau, damit diese Wärme praktisch nutzbar wird.
Eine in der Praxis sehr häufig angetroffene Einbin-dung der Wärmepumpe ist in Abb. 8-8 dargestellt.
Abb. 8-7: Integration von Gasturbinen. (a) Schematischer Aufbau einer Gasturbine und deren Integration in das Teilsystem oberhalb des Pinch. (b) Dimensionierung der Gasturbine mit Hilfe der GCC.
Abb. 8-8: Falsche Platzierung einer Wärmepumpe ausschliesslich im Teilsystem unterhalb des Pinch.
Luft Pinch
(a) (b)
T*
Q&Br
Abgas
T
T*
Pel
Q&CU
TU
H&
*
TU
Pinch
T
* Abgas
T
Q&s
el
Br P
Q& −
S el
Br P Q
Q& − − &
Nutz
HU Q
Q& − &
Q&Br= Wärmezufuhr Brennstoff
Q&V= Verlustwärme
= Nutzwärme
Pel= Elektrische Leistung
= Stackverluste Q&Nutz
Q&S
TU= Umgebungstemperatur
T*
Pel
Q&0
Q&HU
el
CU P
Q& +
Pel
Q&0+
= Wärmezufuhr Verdampfer Q&0
Hier ist die Wärmepumpe vollständig im Teilsystem unterhalb des Pinch integriert. Bei dieser Anord-nung verletzt der Kondensator die erste Pinch-Hauptregel (externe Wärmezufuhr nur oberhalb des Pinch) und die Wärmepumpe ist somit nicht korrekt platziert. Da das Teilsystem unterhalb des Pinch ei-nen Wärmeüberschuss aufweist, muss die durch elektrische Energie eingebrachte Wärme zusätzlich durch einen Mehrbedarf an Cold Utility ausgegli-chen werden und der Netto-Energiebedarf erhöht sich sogar!In der Abb. 8-9 ist eine Wärmepumpe dargestellt, die vollständig im Teilsystem oberhalb des Pinch integriert ist.
Der Verdampfer verletzt dabei die zweite Pinch-Hauptregel (externe Wärmeabfuhr nur unterhalb des Pinch) und die Wärmepumpe ist somit nicht kor-rekt platziert. Das dargestellte System wandelt le-diglich die elektrische Energie Pel in Wärme um und führt nicht zu einer Netto-Utility-Einsparung, son-dern zu einem teilweisen Ersatz von Hot Utility durch elektrische Energie. Hohe Exergieverluste und erhöhte Kosten sind die Folge.
Korrekte Platzierung
In Abb. 8-10 ist dargestellt, wie eine Wärmepumpe korrekt platziert werden soll: Der Verdampfer be-zieht Überschusswärme aus dem Teilsystem unter-halb des Pinch und der Kondensator gibt die Wärme in das Teilsystem oberhalb des Pinch ab. Damit können gleichzeitig Hot und Cold Utility einge-spart werden! Die Wärmepumpe verletzt keine der drei Pinch-Hauptregeln.
Anhand der Abb. 8-10 (b) wird aufgezeigt, wie die GCC für die optimale Platzierung und Dimensionie-rung einer Wärmepumpe an einen untersuchten Prozess beigezogen wird. Dabei werden nicht nur die Temperaturniveaus von Verdampfer und Kon-densator festgelegt, auch die Leistungen können quantifiziert werden.
An dieser Stelle sei kurz darauf hingewiesen, dass die Leistungszahl einer Wärmepumpe durch einen kleinen Temperaturhub zwischen Verdampfer und Kondensator erhöht werden kann.
Spezialfall: Wärmepumpe in Pockets
Abb. 8-11 (a) zeigt eine GCC mit Pockets. Wie in Abschnitt 8.2.2 beschrieben sind Pockets Tempera-turintervalle einer GCC, innerhalb derer eine direkte Wärmeübertragung möglich ist. In Abb. 8-11 (a) sind Hochdruckdampf (HD), Mitteldruckdampf (MD) und die minimal nötige Niederdruckdampfmenge platziert.
Unter Umständen ist es erstrebenswert, die Nut-zung von ND-Dampf zu steigern, um mehr HD-Dampf über eine HD-Dampfturbine auf ND-HD-Dampfni- ND-Dampfni-veau expandieren zu lassen. Damit kann die Strom-produktion erhöht werden. Die ND-Dampfleistung kann gemäss der Abb. 8-11 (b) erweitert werden.
Alleine die Erweiterung der ND-Leistung ist natür-lich nicht sinnvoll, da in der Folge ein Kühlbedarf in-nerhalb der Pocket über dem Pinch entsteht und netto sowohl Wärme- als auch Kühlbedarf um den Wert VD steigen. Der Wärmeüberschuss innerhalb der Pocket soll also genutzt werden.
Die Nutzung dieses Wärmeüberschusses kann über eine Wärmepumpe erfolgen. Dadurch wird in der Folge auch der Bedarf an MD-Dampf reduziert.
Abb. 8-9: Falsche Platzierung einer Wärmepumpe ausschliesslich im Teilsystem oberhalb des Pinch.
Pel
T*
Q&0
Q&CU
Pel
Q&0+
el
HU P
Q& −
= Wärmezufuhr Verdampfer Q&0
Schlussfolgerung:
Eine Wärmepumpe kann in seltenen Fällen zur Op-timierung der Utility-Niveaus auch komplett im obe-ren oder unteobe-ren Teilsystem des Pinch platziert wer-den. Im Gegensatz zur Wärmepumpe über den Pinch (gemäss Abb. 8-10) ändert sich bei dieser Platzierung der Wärmepumpe am Nettobedarf an Hot und Cold Utility aber nichts!
Dieser Ansatz wird nur dann verwendet, wenn die resultierende Verschiebung von teurer Hot Utility (z.B. MD-Dampf) durch billigere Hot Utility (z.B. ND-Dampf mit Stromproduktion) einen entscheidenden wirtschaftlichen Vorteil bringt. Der Verdampfer soll dabei innerhalb einer Pocket platziert werden, der Kondensator über der Pocket.
Abb. 8-10: Korrekte Platzierung einer Wärmepumpe. (a) Korrekte Platzierung einer Wärmepumpe mit Kondensator im Teilsystem unterhalb und Verdampfer im Teilsystem oberhalb des Pinch. (b) Dimensionierung der Wärmepumpe mit Hilfe der GCC.
Abb. 8-11: Platzierung einer Wärmepumpe über Pockets. (a) Erbringung des Hot Utility Bedarfs mittels den drei Dampfdruckniveaus HD (Hochdruck), MD (Mitteldruck) und ND (Niederdruck). (b) Erhöhung des ND-Bedarfs und Er-niedrigung des MD-Bedarfs durch Platzierung einer Wärmepumpe, welche über einen Kondensator mit der Leistung VD Wärme aus der Pocket bezieht und über der Pocket abgibt.
(b) (a)
Q&CU
H& H&
T*
ND
HD MD
VD WP
ND
Q&CU
MD
* HD T
Pinch Process
Pinch Utility
WP
(a) (b)
T*
H&
Q&CU
Pel
Q&0
Q&0
Q&HU
Q0
Q&CU− &
Pel
Q&0+
Pel
Q&0+
(
el)
HU Q P
Q& − &0+
T*
Mechanische Brüdenverdichtung
Als Brüden oder Abdampf wird der in technischen Anlagen beim Eindampfen oder Trocknen von Stof-fen entstehende Wasserdampf bezeichnet. Auch der Schwadendampf aus einem Separator zur Tren-nung von Dampf und Kondensat wird z.T. als Brü-den bezeichnet.
In der Industrie wird wenn immer möglich versucht, die Wärme der Brüden direkt wieder in den Prozess einzubinden. Die optimale Nutzung der Brüden kann mittels GCC abgeschätzt werden.
Abb. 8-12 zeigt ein schematisches Fliessbild eines kontinuierlichen einstufigen Eindampfers. Er wird mit Sattdampf zu 2.0 bar(a) und ca. 120°C beheizt.
Im Verdampfer selber herrscht ein Druck von 1.0 bar(a).
Durch eine angenommene Siedepunktserhöhung
∆TS von 5 K verdampft die Mischung nicht auf 100°C, sondern auf 105°C. Dabei entstehen über-hitzte Brüden auf 105°C und 1.0 bar(a), welche auf 100°C kondensiert werden können. Die 100°C rei-chen jedoch für eine direkte Nutzung als Heizdampf im Verdampfer nicht aus.
In den CCs in Abb. 8-13 (a) ist gut ersichtlich, dass die Enthalpie der Brüden für die Beheizung ausrei-chen würde, das Temperaturniveau jedoch zu tief liegt. Die CCs können sich folglich nicht
überlappen und eine WRG ist nicht möglich. In Abb.
8-13 (a) ist rechts die zugehörige GCC dargestellt.
Mit einer mechanischen Brüdenverdichtung (Me-chanical Vapour Recompression, kurz MVR) kann die zur Verfügung stehende Wärme der Brüden nutzbar gemacht werden.
Eine MVR ist ein Kompressor, welcher die Brüden auf einen höheren Druck und somit auf eine höhere Kondensationstemperatur bringt. Die Hot CC der Brüden kann somit über die Cold CC des Eindamp-fers „gehoben“ werden, wie es in Abb. 8-13 (b) ge-zeigt ist.
Abb. 8-12: Schematisches Fliessbild eines Eindamp-fers.
Brüden - überhitzter Dampf
Heizdampf
Kondensat Feed
p2
Konzentrat 1 bar(a) 105°C
Kondensations-temperatur
120°C
105°C
=5K
∆TS
p2
pHD =
B K HD
K T
T , = , L
TS
p1, ,
= Kondensationstemperatur Heizdampf
= Kondensationstemperatur Brüden
= Siedetemperatur Lösung
HD
TK, B
TK, L
TS,
B
TK,
Die Enthalpie der verdichteten Brüden (rote Kurve) entspricht der Summe aus der Enthalpie der Brüden vor der Verdichtung plus der mechanischen Arbeit des Verdichters. Durch die erhöhte Kondensations-temperatur können die gesamten Brüden im Ver-dampfer als Heizdampf verwendet werden (siehe Abb. 8-13 (b)). Eine MVR ist also eine „offene Wär-mepumpe“.
In Abb. 8-14 ist der Eindampfer mit dem eingebau-ten Brüdenverdichter schematisch abgebildet. Im erwähnten vereinfachten Beispiel wird der Brüden-verdichter direkt für denselben Prozess genutzt. Je nach GCC ist auch eine Nutzung für andere Pro-zesse denkbar.
Abb. 8-13: CCs und GCC eines einstufigen Verdampfers ohne (a) und mit (b) mechanischer Brüdenverdichtung.
kW /
H&
C /° Τ
kW /
H&
C
*/° Τ (a)
Brüden
Q&
C
*/° Τ
kW /
H&
kW /
H&
(b) C /° Τ
Thermische Brüdenverdichtung
Die Thermische Brüdenverdichtung bzw. Thermal Vapour Recompression (TVR) nutzt die Energie ei-nes Treibstroms höheren Druckniveaus und ver-dichtet damit einen Förderstrom niedrigeren Druck-niveaus auf ein mittleres Druckniveau.
In der folgenden Abbildung ist ein thermischer Brü-denverdichter, auch Dampfstrahlverdichter ge-nannt, schematisch zu sehen.
Thermische Brüdenverdichter werden hauptsäch-lich mit Wasserdampf als Treib- und Fördermedium betrieben.
Die Vorteile einer TVR sind:
- Förderung von grossen Volumenströ-men, insbesondere im hohen Vakuumbe-reich möglich
- Niedrige Investitionskosten wegen der relativ einfachen Konstruktion
- Lange Lebensdauer, da eine TVR immer aus einem geeigneten, korrosionsbestän-digen Werkstoff hergestellt werden kann.
- Hohe Betriebssicherheit und Wartungs-freiheit, weil keine bewegten Teile vor-handen sind.
Eine typische Anwendung der TVR ist die Verdich-tung des Abdampfs in der Mitte oder am Ende einer Dampf-Kondensat-Kaskade (Förderstrom). In der Papierindustrie z.B. wird häufig Niederdruckdampf über eine TVR auf Mitteldruckdampf-Niveau ver-dichtet, wo er wieder in den Zylindern genutzt wer-den kann.
Normalerweise wird bei einer TVR ein Mischdruck angestrebt, der mehr als dem 1.8-fachen des För-derdrucks entspricht. Das Verhältnis zwischen Treib- und Förderdampfmenge, das zur Erreichung des geforderten Mischdrucks nötig ist, beträgt typi-scherweise zwischen 2 und 5.
Abb. 8-14: Schematisches Fliessbild eines Eindamp-fers mit eingebautem Brüdenverdichter.
Abb. 8-15: Schematische Darstellung einer thermi-schen Brüdenverdichtung.
Brüden - überhitzter Dampf
Heizdampf
Damit ist auch schon eine wichtige Eigenschaft der TVR vorgegeben: Die resultierende Enthalpie des Mischdampfs ist meist zwischen 3 und 6 Mal grös-ser als die Enthalpie des Förderdampfs! Damit ist eine TVR für ganz andere energetische Ausgangs-lagen geeignet als eine MVR. Im Beispiel aus Abb.
8-13 würde eine thermische Brüdenverdichtung des gesamten Förderdampfs einen Mischdampf erzeu-gen, dessen Leistung etwa 3 Mal grösser wird als der in der GCC abzulesende Bedarf.
Eine TVR eignet sich darum für Energiesysteme, deren CCs bzw. GCC z.B. wie in Abb. 8-16 (a) dar-gestellt aussehen.
Eine TVR ergibt für obiges Beispiel z.B. die CCs und GCC gemäss Abb. 8-16 (b).
Für die empirische Berechnung einer TVR sei an dieser Stelle auf [5] verwiesen.
Abb. 8-16: CCs und GCC des einstufigen Verdampfers ohne (a) und mit (b) thermische Brüdenverdichtung.
kW /
H&
C /°
Τ Τ*/°C
(a)
Brüden
Q&
C
*/° Τ
kW /
H&
kW /
H&
(b) C /° Τ
kW /
H&
Treibdampf Brüden Q
Q& + &
8.5 Utility-Optimierung und Konsequenzen