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Wärmepumpe Hochtemperatur-Wärmepumpe für den Einsatz in der Prozesstechnik

| Autor / Redakteur: Sebastian Riepl, Bernhard Adler, Prof. Dipl.-Ing. Dr. Anton Friedl, Dipl.-Ing. Alae Modarresi Hosseini / Dr. Jörg Kempf

Im Gegensatz zur Prozesstechnik sind Wärmepumpen in der Haustechnik bereits ein etabliertes System. Für die Industrie eignet sich der Stand der Technik nur bedingt. Dies soll nun eine neue Technologie ändern. Sie ermöglicht höhere Temperaturen und flexiblere Einsatzmöglichkeiten.

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(Bild: Ecop Technologies)

Um im internationalen Wettbewerb langfristig bestehen zu können, gilt es die Betriebskosten in der Prozesstechnik zu optimieren. Effizientes Hilfsmittel ist hier die Pinch-Technologie. Dabei wird der anfallende Wärmeüberschuss zur Deckung von Wärmedefiziten verwendet. Soll die Wärme dabei auf höhere Temperaturen gebracht werden, ist jedoch eine Wärmepumpe notwendig.

Die Pinch-Analyse

Die Pinch-Analyse liefert ein Tool um systematisch die vorhandenen Ressourcen bestmöglich zu verwenden. Zuerst werden die aufzuheizenden Prozessströme (kalte Ströme) und die abzukühlenden Prozessströme (heiße Ströme) in der Anlage identifiziert und deren thermisch wichtigen Daten, bestehend aus Eingangs- und Ausgangstemperaturen, Wärmekapazitäten sowie Massenströmen, extrahiert.

Bildergalerie

Im nächsten Schritt werden die so genannte kalte und heiße Komposite-Kurve bzw. blaue und rote Kurve, aufbauend auf den extrahierten Daten, mithilfe der Pinch- und Wärmeübertrager-Software „TVT Hens“ im Temperatur-Enthalpie-Diagramm erstellt (siehe Diagramm in der Bildergalerie). Anschließend können die beiden Kurven gegeneinander verschoben werden, bis eine minimale Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kurven erreicht wird (Pinch-Punkt). Der grüne Bereich stellt die maximale Wärmeintegration zwischen den Prozessströmen dar. Da Wärme immer nur von höheren Temperaturen auf niedrigere Temperaturen transportiert werden kann, bleibt bei diesem Beispiel ein erheblicher Wärme- und Kältebedarf. Die Wärmepumpe wäre eine vielversprechende Möglichkeit das Potenzial zu heben.

Hürden in der Prozesstechnik

Konventionelle Wärmepumpentechnologien haben jedoch Beschränkungen, die eine industrielle Nutzung in der Prozesstechnik schwierig machen. Einerseits ist die Temperatur je nach System (mit z.B. etwa 70 °C für die Wärmesenke mit Standardtechnologie) beschränkt, andererseits müssen die Anlagen oft speziell für jedes Einsatzgebiet aufwändig adaptiert werden, und Änderungen im Prozess sind nicht mehr möglich. Während konventionelle Öl- und Gasbrenner die Anforderungen der Industrie hinsichtlich Flexibilität erfüllen, fallen vergleichsweise hohe Betriebskosten an. Die Ecop-Produkte bieten hingegen in Temperaturbereichen von –20 °C bis 150 °C eine Lösung, die Effizienz, Flexibilität und Umweltfreundlichkeit kombiniert.

Das Diagramm zeigt die thermodynamisch optimale Platzierung der Wärmepumpe (500 kW Unit) anhand der Komposite-Kurven, bei denen der minimal benötigte Bedarf an Heiz- und Kühlmedium anhand der thermisch optimal integrierten Wärmepumpe reduziert werden kann.

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