Wärmerückgewinnungssystem Wärmerückgewinnung bei Wirbelschichtprozessen

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Um eine effiziente Rückgewinnung der Abluftwärme zu ermöglichen, haben die Ingenieure des Maschinenbauers Romaco Innojet erstmals eine Hochtemperatur-Wärmepumpe in den Wirbelschichtprozess implementiert. Die zurückgewonnene Wärmeenergie wird direkt in den laufenden Prozess eingespeist, wodurch eine Energieeinsparung von rund 60 Prozent erzielt werden kann. Dabei wird auch die Reibungswärme des Abluftventilators mitgenutzt.

Bekanntermaßen ist das Wirbelschichtverfahren äußerst energieintensiv. Für die Herstellung und Beschichtung von Granulaten und Pellets für die Pharma-, Lebensmittel- und chemische Industrie werden für den prozesstechnischen Betrieb sehr hohe Mengen an Trocknungsenergie benötigt. Um diesen enormen Energieverbrauch nachhaltig zu reduzieren, haben Experten bei Romaco Innojet das Wärmerückgewinnungssystem HRS für die Ventilus-Produktfamilie entwickelt. Die Technologie lässt sich einfach in den Wirbelschichtprozess implementieren und ermöglicht eine Energieeinsparung von bis zu 60 Prozent der Heizleistung, heißt es vom Unternehmen.

Das Herzstück der thermischen Wärmerückgewinnung ist eine Industrie-Wärmepumpe, die eine Vorlauftemperatur von bis zu 100 °C erreicht. Sie ist in der Lage, flexibel auf die Abluftkonditionen der unterschiedlichen Prozesse zu reagieren, die auf der Anlage gefahren werden. Die durch den Herstellprozess vorgegebenen Parameter wie Luft- und Sprühmenge sowie die erforderliche Heiztemperatur führen zu variablen Abluftkonditionen, an denen die Wärmepumpe ihren Betrieb ausrichtet. Über das Bedienterminal (HMI) oder das automatisierte Prozess-Rezeptursystem des Wirbelschichtprozessors werden die Sollwerte für die Lufttemperaturen des Kalt- und Warmstroms eingestellt und zudem definiert, in welchem Prozessschritt das Wärmerückgewinnungssystem aktiviert werden soll. Dabei läuft der Wirbelschichtprozess unabhängig davon ab, ob die Wärmerückgewinnung dazugeschaltet wird oder nicht.

Effizienter Energiekreislauf

Von ihrer Funktionsweise unterscheidet sich die eingesetzte Wasser-Wasser-Wärmepumpe nicht von einer handelsüblichen Standardwärmepumpe. Das relativ niedrige Temperaturniveau der Abluft genügt, um das Kältemittel der Wärmepumpe zum Sieden zu bringen und in einen gasförmigen Zustand zu versetzen. Dieses Gas wird daraufhin extrem komprimiert, wodurch es sich stark erhitzt und die Wärme über einen Wasserkreislauf an die Zuluft der Prozessanlage abgibt. Durch den Energieübertrag kühlt sich das Kältemittel wieder ab, so dass es kondensiert und in flüssigem Zustand durch ein Expansionsventil fließt. Durch den Druckverlust entspannt es sich und erreicht wieder seine Ausgangstemperatur, woraufhin der Wärmepumpenkreislauf erneut beginnen kann.

Bei dem Wärmerückgewinnungssystem HRS ist die Wärmepumpe in zwei Wasserkreisläufe, einen für die Zu- und einen für die Abluft, unterteilt. Der Energieübertrag wird über vier Wärmetauscher geregelt. Dabei wird die gewonnene Abluftwärmeenergie direkt in die Zuluft des laufenden Prozesses eingespeist und vollständig zur Erwärmung des Prozessluftstroms verwendet. Eine aufwändige Zwischenspeicherung oder Szenarien für eine sekundäre Nutzung der zurückgewonnenen Energie entfallen somit.

Innovative Nutzung der Abluftwärme

Neben der thermischen Energie der Prozessabluft wird auch die Reibungswärme des Abluftventilators für die Rückgewinnung mitgenutzt. Der Hochdruckventilator, der die Prozessluft durch das Wirbelschichtsystem saugt, ist im Abluft-Aufbereitungssystem vor dem Rückgewinnungsmodul angeordnet und erwärmt die Luft um circa 5 bis 15 °C. Energie, die dank des HRS direkt in die Wärmepumpe geleitet und rückgewonnen werden kann, anstatt mit der Abluft ungenutzt in die Atmosphäre zu entweichen. Für die Entwicklung des zirkulären Wärmerückgewinnungssystems hat Romaco Innojet gewerbliche Schutzrechte angemeldet.

Der COP-Wert der Wärmepumpe beträgt durchschnittlich 3,5 – das heißt, dass 3,5 mal mehr Energie rückgewonnen als elektrisch eingesetzt wird. Auf den Wirbelschichtprozess bezogen bedeutet dies eine Heizenergieeinsparung von bis zu 60 Prozent, was je nach Anlagengröße einer Emissionseinsparung von bis zu 50 Tonnen CO₂ pro Jahr entspricht.

Für die genaue Berechnung der Energieeffizienz sind die Wirbelschichtanlagen mit einem Energiemonitor ausgestattet, der in das HMI integriert ist. Mit diesem Tool lassen sich die Verbräuche, sowohl der Gesamtanlage als auch der einzelnen Komponenten, genau messen. Sämtliche Energieströme einschließlich der rekuperativen Wärmerückgewinnung werden über die gesamte Lebensdauer der Anlage hinweg erfasst. Diese Werte können in Megawattstunden oder auch in CO₂ bzw. in CO₂-Äquivalenten ausgewiesen werden und sind im System hinterlegt. Auf diesem Weg lassen sich verlässliche Daten für das Nachhaltigkeitsreporting gewinnen, welches für eine wachsende Anzahl von Unternehmen weltweit verpflichtend ist.

Einfache Implementierung

Das HRS-Wärmerückgewinnungssystem lässt sich in alle Neumaschinen der Ventilus-Produktfamilie und IGL-Serie implementieren. Auch ein Nachrüsten dieser Anlagen ist möglich. Im Innotech-Labor in Steinen, Deutschland, steht eine V 150 für Produktversuche zur Verfügung, in die das Wärmerückgewinnungssystem integriert wurde. In der Praxis wird die Technologie erstmals von einem Pharmahersteller aus Süddeutschland in einem Ventilus-Prozessor mit einem Batchvolumen von bis zu 900 Litern eingesetzt.

Das Wärmerückgewinnungssystem HRS erweist sich insbesondere bei der Granulation und der Trocknung von Feuchtgranulat als hoch effizient, kurzum bei allen Prozessen mit hohen Sprühraten, die große Luftmengen verbrauchen. Sein enormes Energieeinsparpotenzial für Wirbelschichtprozesse bedeutet einen wichtigen Schritt in Richtung einer nachhaltigeren Herstellung von Pharmazeutika, Lebensmitteln und chemischen Produkten. Für sein Engagement für den Klimaschutz wurde Romaco 2024 erstmals mit der Goldmedaille des Ecovadis-Nachhaltigkeitsratings ausgezeichnet.

Powtech: Halle 9, Stand 9-549

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