Warmteterugwinningsconcepten van AERZEN
Duurzaamheid en efficiëntie zijn onmisbaar in de industrie. Deze concepten behoren vandaag de dag ongetwijfeld tot de belangrijkste uitdagingen voor systeemfabrikanten en -exploitanten. De opwekking van proceslucht vereist echter van nature een relatief grote hoeveelheid energie. Dit proces genereert een grote hoeveelheid warmte-energie, de zogenaamde proceswarmte. Deze komt niet alleen vrij in de opgewekte luchtstroom, maar ook onder de akoestische omkasting, als gevolg van het warmteverlies van de motor, de geluiddemper en de compressor. In het verleden werd daar vaak niets mee gedaan.
Als fabrikant van krachtige compressoren ontwikkelt AERZEN al lange tijd innovatieve oplossingen om deze warmte-energie in de praktijk toe te passen. Als gevolg daarvan biedt het bedrijf exploitanten van installaties geavanceerde persluchttechnologie en passende systemen voor warmteterugwinning uit één enkele bron.
De potentiële besparingen als gevolg van het installeren van een warmteterugwinningssysteem zijn enorm: tot 85% van de warmte-energie kan gemakkelijk worden gebruikt voor andere bewerkingen, zoals het verwarmen van water, droogprocessen of het voorverwarmen van branderlucht. Er wordt geen energieverlies veroorzaakt door bijvoorbeeld het ontluchten van de verwarmde buitenlucht. Warmteterugwinning betekent dus een doelgerichte, grondstofbesparende energiebesparing.
De investeringskosten voor een warmteterugwinningssysteem zijn betrekkelijk laag en worden door de energiebesparing snel gecompenseerd. Ook oudere installaties kunnen zonder veel tijd en geld worden aangepast en geoptimaliseerd. AERZEN helpt u graag bij het implementeren van oplossingen op maat. Warmteterugwinning kan in veel verschillende processen en toepassingen worden toegepast:
- Levering van centrale verwarmingssystemen
- Warmeluchtverwarming
- Drogen van slib
- Warme lucht voor procestaken (bijv. droogprocessen in de productie)
- Productie van warm water voor douches en wasruimtes
- Verwarmingswater voor cafetaria’s
- Constructie van thermische remmen
- Verwarming van zwembaden.
Het doel van alle installatieontwerpers is om de kosten te verlagen door zo efficiënt mogelijk gebruik te maken van de ingevoerde energie in een proces. Op het gebied van persluchtproductie is warmteterugwinning een eenvoudige manier om deze uitdaging aan te gaan. Om te begrijpen waarom er bij de werking van een compressor warmte-energie wordt opgewekt en hoe die energie kan worden gebruikt, is het nuttig om het werkingsprincipe van een luchtcompressor onder de loep te nemen:
Werkingsprincipe van compressoren: Warmtebronnen en oplossingen voor warmteterugwinning
De grote hoeveelheid afvalwarmte die wordt geproduceerd bij het opwekken van perslucht zegt niets over de efficiëntie van de machine. Het is een nevenproduct dat noodzakelijkerwijs ontstaat bij het genereren van proceslucht. Lange tijd zijn exploitanten van installaties zich niet bewust geweest van het enorme energiepotentieel dat hierin schuilt. Normaal gesproken wordt warmte op twee verschillende manieren opgewekt: enerzijds door compressie van het medium door het aggregaat en anderzijds door de afvalwarmte (koellucht) van de motor, trap en demper en de uitlaatlucht van de oliekoeler.
Compressie
Machines zoals schroefcompressoren en draaizuigerblowers comprimeren de aangezogen omgevingslucht met behulp van schroeven of draaizuigers. Deze vorm van luchtcompressie is een thermodynamisch proces waarbij het aangezogen medium, bijvoorbeeld lucht of gas, wordt verwarmd. Dit proces zet vanuit fysisch oogpunt elektrische energie om in warmte-energie. Bij gebruik van compressoren kan het procesgas temperaturen tot 280 °C bereiken.
De logische aanpak voor het terugwinnen van warmte uit proceslucht is het gebruik van warmtewisselaars. Door warmtewisselaars in de luchtstroom op te nemen, kan een medium zoals water dat erdoorheen stroomt tot een vooraf ingestelde temperatuur worden verwarmd en kan er tegelijkertijd warmte uit de luchtstroom worden afgevoerd. Het verwarmde water kan worden hergebruikt als proces- of bedrijfswater of in het centrale verwarmingssysteem worden gevoerd. AERZEN biedt hiervoor nauwkeurig ontworpen warmtewisselaars die met een minimaal drukverlies een maximale hoeveelheid overdraagbare warmte kunnen omzetten.
Koellucht (warmtestraling)
Onder de akoestische omkasting van het aggregaat wordt extra warmte-energie opgewekt door de straling van de motor, de oliekoeler, de compressortrap, de draaizuigertrap, de leidingen en de geluiddemper. Deze sterk verwarmde koellucht kan ook praktisch worden ingezet. De luchtafvoerkanalen die in het aggregaat zijn geïntegreerd, kunnen de warmte bundelen en als verwarmingslucht naar de aangrenzende ruimten of werkplaatsen transporteren. Een temperatuurgestuurde afvoer kan de luchtstroom regelen, zodat een gelijkmatige omgevingstemperatuur wordt bereikt. ‘s Zomers, als er geen verwarming nodig is, kan de overtollige warmte bijvoorbeeld naar buiten worden geleid.
Warmteterugwinning bij rioolwaterzuivering
Rioolwaterzuivering is een kernonderdeel van de Aerzener Maschinenfabrik. Het familiebedrijf is een wereldwijde speler op dit gebied en werkt voortdurend aan de ontwikkeling van grondstofbesparende en milieuvriendelijke alles-in-één-oplossingen voor klanten over de hele wereld. Daarbij gaat het niet alleen om de keuze voor op maat gemaakte, optimale machinetechnologie, maar ook om concepten voor warmteterugwinning. In rioolwaterzuiveringsinstallaties worden de aggregaten normaal gebruikt voor het beluchten van de beluchtingstanks. In dit proces wordt een luchtstroom met een druk van ongeveer 1 bar gegenereerd door AERZEN draaizuigerblowers, turboblowers en compressoren die gezamenlijk of als afzonderlijke aggregaten werken. De luchtstroom wordt in de beluchtingstanks gepompt (de biologische zuivering van de installatie). De zuurstof in de lucht speelt een doorslaggevende rol in een belangrijke stap in het proces: biologische rioolwaterzuivering.
Het grootste percentage van de totale energiekosten van een rioolwaterzuiveringsinstallatie is vanzelfsprekend de opwekking van luchtstroom. Het besparingspotentieel op dit gebied is dan ook bijzonder hoog. De mogelijkheden zijn enorm: één compressor met een vermogen van 22 kW is genoeg om te voldoen aan de verwarmingsbehoefte van een eengezinswoning.
De vele succesverhalen van de Aerzener Maschinenfabrik laten zien hoe de energiebalans van een rioolwaterzuiveringsinstallatie aanzienlijk kan worden verbeterd door oplossingen voor warmteterugwinning te implementeren en de optimale machinetechnologie voor elke toepassing te kiezen. Enkele voorbeelden vindt u hier:
Nog een voorbeeld van een zeer efficiënte warmteterugwinning, uitgevoerd in samenwerking met AERZEN, is te vinden in de rioolwaterzuiveringsinstallatie in Essen-Kupferdreh. De installatie maakt gebruik van vier draaizuigerblowers voor de luchttoevoer naar de beluchtingstanks. Door de plaatsing van een buizenbundelwarmtewisselaar maakt de installatie nu praktisch en efficiënt gebruik van de afvalwarmte van de blowers. De omgezette energie van de component levert nu warmte-energie aan het verwarmingssysteem en aan het buffervat voor warm water. De besparingen die hieruit voortvloeien zijn enorm: alleen al door de warmteterugwinning kan de fabriek in Essen-Kupferdreh meer dan € 30.000 per jaar besparen.
Door gebruik te maken van een warmtewisselaar was het bij de rioolwaterzuiveringsinstallatie Wertach in Beieren niet nodig om een nieuwe brander voor het verwarmen van het ketelwater te installeren. In Wertach worden twee Delta Blowers met vaste snelheid gebruikt voor de basisbelasting. Bij een hogere vraag, bijvoorbeeld in het seizoen waarin er in groten getale wandelaars en skiërs op bezoek komen, wordt een derde blower met een variabele snelheid geactiveerd.
De warme lucht van 68 °C die door het compressieproces wordt opgewekt, wordt door een lucht/water-platenwarmtewisselaar gekoeld tot onder de 30 °C. De ontstane delta van bijna 40 °C kan daardoor worden gebruikt om het ketelwater van het verwarmingssysteem op te slaan. De warmtewisselaar die in het systeem is geïntegreerd, is uitgerust met stromingsgeoptimaliseerde profielen en veroorzaakt bijna geen drukverlies in de procesluchtstroom.
Als er geen verwarming nodig is (bijvoorbeeld ‘s zomers), kan deze eenvoudig worden uitgeschakeld. Door middel van een mechanische klep in de leidingen kan de lucht geheel of gedeeltelijk rechtstreeks naar de beluchtingstanks worden geleid in plaats van via de warmtewisselaar, waardoor er altijd een vraaggestuurde besturing en warmteterugwinning mogelijk is. In Wertach heeft warmteterugwinning geleid tot een besparing op stookolie van ongeveer 1850 liter per jaar. Meer informatie over dit onderwerp vindt u in het artikel ‘Efficiënt verwarmen met verloren warmte’ in ons klantenmagazine.
Om te voldoen aan de strenge milieueisen van de rioolwaterzuiveringsinstallatie Filderstadt-Bonlanden, die in de jaren zestig in de Duitse deelstaat Baden-Württemberg is gebouwd, zijn in het kader van een moderniserings- en renovatieproject in samenwerking met AERZEN vier Delta Hybrid draaizuigercompressoren uitgerust met een warmteterugwinningssysteem.
De combinatie van aggregaten levert 100% olievrije perslucht zonder absorptiematerialen voor de beluchting van de beluchtingstanks op een zeer energiezuinige manier. De olievrije werking zonder absorptiematerialen betekent niet alleen een besparing op dienstverlening en onderhoud, maar ook een verbeterde procesbetrouwbaarheid. Na voltooiing van de moderniseringsmaatregelen kon het systeem de machinaal verwarmde omgevingslucht via een afzuiginstallatie laten circuleren en deze gebruiken om andere technische ruimten te verwarmen.
Maar de grootste besparing werd echter gerealiseerd door het aanbrengen van een buizenbundelwarmtewisselaar in de hoofdleiding van de installatie. In de warmtewisselaar wordt de warmte uit de procesluchtstroom gehaald en gebruikt om water te verwarmen. Hierdoor kunnen de verwarmingskosten van het water volledig worden geëlimineerd. Meer informatie over warmteterugwinning in Filderstadt-Bonlanden kunt u vinden in ons klantenmagazine, in het artikel ‘Elke kilowatt die optimaal wordt benut’.
Warmteterugwinning in pneumatische transportsystemen
Pneumatisch transport omvat het transport met behulp van lucht van bulkgoederen zoals meel, poeder, zand of cement. Hiervan wordt gebruik gemaakt in bijvoorbeeld de levensmiddelenindustrie, de bulkindustrie, de chemische industrie en de materiaalindustrie. Voor de vereiste luchtstroom wordt veelal gebruik gemaakt van AERZEN compressoren, blowers en draaizuigercompressoren. Hierbij kunnen zeer hoge luchtafvoertemperaturen worden bereikt.
De omgevingslucht heeft meestal een temperatuur van ongeveer 20 °C. Deze wordt aangezogen en kan door het compressieproces, bijvoorbeeld bij een toepassing met schroefcompressoren, temperaturen tot 280 °C bereiken. Om ervoor te zorgen dat de getransporteerde bulkgoederen door de hoge temperaturen niet worden beschadigd, moet de proceslucht vaak weer worden afgekoeld. De warmte kan met behulp van een warmtewisselaar uit de perslucht worden onttrokken en worden gebruikt voor verwarming, waterverwarming of proceswarmte. Afhankelijk van het ontwerp is het drukverlies als gevolg van de installatie van een warmtewisselaar 1-3% ten opzichte van de absolute ingangsdruk in de nakoeler. Het verhoogde aandrijfvermogen van de motor bedraagt hierdoor slechts een fractie van de hoeveelheid energie die door de warmtewisselaar wordt bespaard.
Wanneer loont het de moeite om warmte terug te winnen?
Alvorens te besluiten tot de aanschaf van een warmteterugwinningsoplossing moet met verschillende factoren rekening worden gehouden.
Om te beginnen moeten de bouwkundige omstandigheden worden gecontroleerd. Het is belangrijk dat de afvalwarmtebron en het koellichaam dicht bij elkaar staan. Als deze te ver uit elkaar liggen, moet in de planning rekening worden gehouden met de energieverliezen ten gevolge van het transport en de hogere kosten voor de leidingen. Als transport of opslag van de warmte veel inspanningen vergt, moet rekening worden gehouden met hogere investeringskosten. Bovendien moet er een Δ T van ten minste 5 tot 10 k tussen de afvalwarmtebron en het koellichaam van de installatie liggen om een installatie voor warmteterugwinning rendabel te maken.
In principe zou men kunnen zeggen dat warmteterugwinning vooral nuttig is bij gebruik in grote aggregaten en continu lopende productieprocessen. Maar een warmteterugwinningssysteem kan ook zijn vruchten afwerpen als er minder afvalwarmte is, maar wel een hogere werklast. In principe geldt dat warmteterugwinning rendabeler is naarmate de aggregaten langer in bedrijf blijven.
Samenvatting
De grote hoeveelheid energie die nodig is om perslucht te genereren kan op verschillende manieren worden teruggewonnen en gebruikt. Met de technologieën en expertise van AERZEN kunnen nieuwe projecten worden ontworpen voor rioolwaterzuivering en pneumatisch transport, waarbij gebruik wordt gemaakt van warmte-energie voor het verwarmen van ruimtes, hallen of water (proces- of bedrijfswater) of voor stappen in het productieproces. Er zijn enorm veel mogelijke toepassingen.
Ook bestaande installaties kunnen met eenvoudige middelen worden gemoderniseerd om hun efficiëntie te verhogen. Op dit gebied biedt AERZEN zijn klanten een breed portfolio aan diensten, bijvoorbeeld een 24-uurs telefonische informatiedienst, een machinediagnose en de AERaudit, waarbij servicemedewerkers een plan ontwikkelen voor het moderniseren van een installatie.
En met de hulp van de AERZEN Ruimteventilatie-calculatorkunnen ingenieurs en eigenaars van waterzuiveringsinstallaties zelf een geschikt ontworpen warmtewisselaar voor hun installatie vinden.
