Heat Recovery Concepts from AERZEN
Sustainability and efficiency are indispensable in the industry. Today, they undoubtedly number among the most important challenges facing system manufacturers and operators. By its very nature, however, the generation of process air requires a relatively high amount of energy. A large quantity of heat energy, known as process heat, is released in the process. It arises not only in the generated airflow, but also under the acoustic hood due to heat loss from the motor, silencer and compressor. In the past, it frequently went unused.
As a manufacturer of high-performance compressors, AERZEN has long developed innovative solutions for putting this heat energy to practical use. As a result, the company offers plant operators cutting-edge compressed air technology and right-sized systems for heat recovery from a single source
The potential savings that could result from installing a heat recovery system are immense: up to 85 percent of the heat energy can easily be used for other operations, such as water heating, drying processes or preheating burner air. Energy losses, such as those caused by venting the heated air outside, are avoided. Heat recovery therefore means targeted, resource-saving energy conservation.
L’investissement pour un système de récupération de chaleur est relativement faible et rapidement compensé par les économies d’énergie qu’il procure. De même, ces systèmes vont permettre de moderniser et d’optimiser des usines anciennes à moindres frais, dans des délais courts. AERZEN se réjouit de réaliser des solutions individuelles pour chaque client. La récupération de chaleur peut être réalisée pour tout un panel de processus et de domaines :
- Fourniture de systèmes de chauffage central
- Chauffage à air chaud
- Séchage de boues
- Air chaud pour les tâches de traitement (par ex. processus de séchage en cours de production)
- Production d’eau chaude pour douches et toilettes
- Chauffage d’eau de service pour cafétérias
- Construction de freins thermiques
- Chauffage de piscines.
L'objectif de tout concepteur d'usine est de réduire les coûts en utilisant le plus efficacement possible l'énergie introduite dans un processus. Dans le domaine de la production d’air comprimé, la récupération de chaleur constitue un moyen simple de relever ce défi. Mais pour comprendre pourquoi un compresseur génère de l’énergie thermique et comment utiliser celle-ci, il convient d’examiner le principe de son fonctionnement :
Principio di funzionamento dei compressori: fonti termiche e opzioni per recuperare calore
La grande quantità di calore residuo prodotto quando viene generata aria compressa non dà nessuna informazione sull'efficienza della macchina. È un prodotto secondario che deriva dalla generazione dell'aria di processo. Per lungo tempo gli operatori dell'impianto non sono stati a conoscenza del massiccio potenziale energetico contenuto nell'impianto. Di norma, il calore viene generato in due modi diversi: da un lato, dalla compressione del mezzo da parte del gruppo, dall'altro dal calore residuo (aria di raffreddamento) del motore, dello stadio e del silenziatore e dall'aria di scarico del radiatore dell'olio.
Compressione
Macchine come i compressori a vite e i soffiatori a lobi comprimono l'aria circostante aspirata attraverso rotori a lobi o a vite. Questa forma di compressione dell'aria è un processo termodinamico che riscalda il mezzo aspirato, ad esempio, aria o gas. Dal punto di vista fisico, il processo converte l'energia elettrica in energia termica. Quando vengono usati i compressori, i gas di processo possono raggiungere temperature fino a 280°C.
L'approccio logico per recuperare calore dall'aria di processo consiste nell'utilizzare gli scambiatori di calore. Una volta integrati nel flusso d'aria, un elemento come l'acqua può passare attraverso gli scambiatori ed essere riscaldato alla temperatura prestabilita, rimuovendo contemporaneamente il calore dal flusso d'aria. L'acqua così riscaldata può essere riutilizzata come acqua di processo o alimentata nel sistema di riscaldamento centrale. AERZEN offre scambiatori di calore progettati per rispondere a questo scopo, ovvero convertire la quantità massima di calore trasferibile con una perdita di carico minima.
Aria di raffreddamento (radiazione termica)
All'interno della cabina fonoassorbente viene creata energia termica aggiuntiva dalla radiazione del motore, dal radiatore olio, dallo stadio del compressore, dallo stadio del rotore a lobi, dalle tubazioni e dal silenziatore. Anche questa aria di raffreddamento fortemente riscaldata può essere utilizzata. Il calore può essere convogliato nei condotti dell'aria di scarico nel gruppo e trasportato come aria di riscaldamento alle sale o ai laboratori adiacenti. Un'uscita a temperatura controllata può regolare il flusso dell'aria al fine di raggiungere una temperatura ambiente uniforme. Se ad esempio in estate non serve riscaldamento, il calore in eccesso può essere condotto all'esterno.
Recupero di calore nel trattamento delle acque
Il trattamento delle acque è un settore fondamentale di Aerzener Maschinenfabrik. La società a conduzione familiare è leader mondiale in quest'area e sviluppa continuamente soluzioni all-in-one ecologiche e a ridotto consumo di risorse per i clienti di tutto il mondo. Tra queste non troviamo solo la selezione di tecnologie di macchine personalizzate su misura ma anche idee per il recupero del calore. Negli impianti di depurazione, i gruppi vengono utilizzati generalmente per fornire ossigeno alle vasche di ossidazione. Nel processo, i soffiatori a lobi, le turbosoffianti e i compressori di AERZEN lavorano insieme o singolarmente per generare un flusso di aria con una pressione di circa 1 bar. Il flusso dell'aria viene pompato nelle vasche di ossidazione (il comparto biologico dell'impianto). L'ossigeno contenuto nell'aria gioca un ruolo decisivo in una fase importante del processo: il trattamento delle acque reflue.
Mesurée en termes de coûts énergétiques totaux pour une station d’épuration, la production de flux d’air représente naturellement le plus fort pourcentage. Le potentiel d'économies dans ce domaine est donc particulièrement élevé. Et les possibilités sont vastes : un seul et même compresseur d’une puissance de 22 kW peut répondre aux besoins de chauffage complets d’une maison individuelle.
Les nombreuses success stories d'Aerzener Maschinenfabrik montrent comment le bilan énergétique d'une station d'épuration peut être nettement amélioré en mettant en œuvre des solutions de récupération de chaleur et en choisissant la technologie de machine optimale pour chaque application. Voici quelques exemples :
La station d'épuration d'Essen-Kupferdreh est un autre exemple de récupération de chaleur très efficace mise en œuvre en coopération avec AERZEN. L'usine utilise quatre soufflantes à déplacement positif pour fournir de l'air aux bassins d'aération. Grâce à l'installation d'un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire, la station utilise désormais de manière pratique et efficace la chaleur résiduelle des soufflantes. L'énergie convertie du composant fournit maintenant de l'énergie thermique au système de chauffage et au réservoir tampon pour l'eau chaude. Les économies réalisées sont colossales : la récupération de chaleur permet à elle seule à l'usine d'Essen-Kupferdreh d'économiser plus de 30 000 euros par an.
À la station d'épuration de Wertach, en Bavière, il a été possible de renoncer à l'installation d'un nouveau brûleur pour chauffer l'eau de la chaudière, grâce à l'utilisation d'un échangeur de chaleur. À Wertach, deux surpresseurs Delta à vitesse fixe sont utilisés pour la charge de travail de base. Lorsque les besoins sont plus importants, par exemple pendant la saison où les randonneurs et les skieurs sont nombreux, un troisième ventilateur à vitesse variable est activé.
L'air chaud à 68°C généré par le processus de compression est refroidi à moins de 30°C par un échangeur de chaleur à plaques air-eau. Le delta de près de 40°C qui en résulte peut ainsi être utilisé pour stocker l'eau de la chaudière du système de chauffage. L'échangeur de chaleur intégré au système est équipé de profils à débit optimisé et n'entraîne pratiquement aucune perte de pression dans le flux d'air du processus.
Si aucun chauffage n'est nécessaire (par exemple en été), il est facilement désactivé. Une vanne mécanique dans la tuyauterie permet d'acheminer une partie ou la totalité de l'air directement vers les bassins d'aération au lieu de passer par l'échangeur de chaleur, ce qui permet de contrôler la demande et de récupérer la chaleur à tout moment. À Wertach, la récupération de chaleur a permis d'économiser environ 1 850 litres de mazout par an. Vous trouverez de plus amples informations à ce sujet dans l'article intitulé ‘Chauffage efficace grâce à la chaleur perdue’ de notre magazine destiné aux clients.
Pour répondre aux exigences environnementales strictes de la station d'épuration de Filderstadt-Bonlanden, construite dans les années 1960 dans l'État allemand du Bade-Wurtemberg, quatre compresseurs rotatifs à lobes Delta Hybrid ont été équipés d'un système de récupération de la chaleur dans le cadre d'un projet de modernisation et de rénovation en coopération avec AERZEN.
La combinaison des ensembles fournit de l'air comprimé 100 % exempt d'huile et d'absorbant pour l'aération des bassins d'aération d'une manière très efficace sur le plan énergétique. L'absence d'huile et d'absorbant permet non seulement de réaliser des économies en matière d'entretien et de maintenance, mais aussi d'améliorer la fiabilité des processus de l'usine. Une fois les mesures de modernisation achevées, le système a commencé à faire circuler l'air ambiant chauffé par les machines via un système d'extraction et à l'utiliser pour chauffer d'autres salles techniques.
Mais les économies les plus importantes ont été réalisées grâce à l'installation d'un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire dans la canalisation principale du système. Dans l'échangeur de chaleur, la chaleur est retirée du flux d'air de traitement et utilisée pour chauffer l'eau. Les coûts de chauffage de l'eau peuvent ainsi être totalement éliminés. Pour en savoir plus sur la récupération de chaleur à Filderstadt-Bonlanden, consultez l'article intitulé ‘Chaque kilowatt utilisé de manière optimale’ dans notre magazine destiné aux clients.
Recupero di calore nel trasporto pneumatico
Il trasporto pneumatico comporta il trasporto di materiali sfusi quali farina, polvere, sabbia o cemento con il contributo dell'aria. Viene utilizzato in numerosi settori, come il settore alimentare, chimico, dei materiali sfusi e dei materiali in generale. Per creare il flusso di aria necessario si utilizzano spesso i compressori, i soffiatori e i compressori ibridi AERZEN. Nel processo è possibile raggiungere temperature di mandata dell'aria molto alte.
L'aria dell'ambiente, che generalmente ha una temperatura di circa 20°C, viene aspirata e può raggiungere temperature fino a 280°C a valle del processo di compressione, ad esempio, in un'applicazione che comprende compressori a vite. Per prevenire danni da alte temperature ai materiali sfusi è spesso necessario raffreddare l'aria di processo. Il calore può essere rimosso dall'aria compressa con l'aiuto di uno scambiatore di calore e utilizzato per il riscaldamento del locale, per il riscaldamento dell'acqua o come calore di processo. A seconda del design, la perdita di carico provocata dall'installazione di uno scambiatore di calore è dell'1-3% rispetto alla pressione di aspirazione assoluta nel postrefrigeratore. Il conseguente aumento della potenza di azionamento del motore è minore rispetto alla quantità di energia risparmiata utilizzando lo scambiatore di calore.
Quando è conveniente recuperare calore?
Prima di decidere di adottare una soluzione per il recupero di calore occorre considerare diversi fattori.
In primo luogo, il controllo delle condizioni strutturali. È importante che la fonte di calore residuo e il dissipatore siano posizionati vicini. Se sono troppo lontani, gli impianti devono calcolare perdite energetiche dovute al trasporto e costi più elevati per le tubazioni. Se occorre molto tempo per trasportare o immagazzinare il calore, è necessario calcolare costi di investimento superiori. Inoltre, deve esserci un Δ T di almeno 5-10 k tra la fonte di calore residuo e il dissipatore per ottenere vantaggi dall'impianto di recupero di calore.
In generale, si potrebbe dire che il recupero di calore è vantaggioso soprattutto se utilizzato con grandi gruppi e processi di produzione costantemente in funzione. Ma un sistema di recupero di calore può dare benefici anche nei casi in cui il calore residuo è inferiore, ma il carico di lavoro è maggiore. In linea di principio, il recupero di calore è tanto più vantaggioso quanto più i gruppi rimangono in funzione.
Riepilogo
La grande quantità di energia necessaria per generare aria compressa può essere recuperata e utilizzata in modi diversi. Con le tecnologie e l'esperienza di AERZEN è possibile pianificare nuovi progetti nell'ambito del trattamento delle acque reflue e del trasporto pneumatico per sfruttare l'energia termica per riscaldare sale, padiglioni o acqua (acqua di servizio o di processo) o per le fasi del processo di produzione. Sono possibili numerose applicazioni diverse.
Gli impianti esistenti possono essere ammodernati usando misure semplici che ne aumentano l'efficienza. In questo campo, AERZEN offre ai propri clienti un ampio portafoglio di servizi, ad esempio un'assistenza telefonica per informazioni 24 ore su 24, una diagnosi macchine e AERaudit, in cui i tecnici di assistenza sviluppano un progetto per ammodernare l'impianto.
Con l'aiuto del calcolatore dell'aria di ventilazione dell'ambiente di AERZEN, i tecnici e i gestori dell'impianto di depurazione possono trovare uno scambiatore di calore appositamente progettato per il loro impianto.
