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HEAT PIPE TECHNOLOGY FOR THERMAL ENERGY RECOVERY IN INDUSTRIAL APPLICATIONS

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Recycelte Abwärme aus Fabriken zum Wohle der Industrie und Umwelt

Industrielle Verfahren sind für mehr als ein Viertel des Primärenergieverbrauchs Europas verantwortlich und erzeugen eine gewaltige Menge an Wärme. EU-finanzierte Forschung schließt diesen Kreis mit neuartigen Systemen, die Abwärme zurückgewinnen, damit sie in industriellen Produktionslinien wiederverwendet werden kann.

Energie

Ein Großteil der Prozesswärme wird in Form von Abgasen oder Abflussströmen in die Umwelt abgegeben und geht dadurch verloren. Indem diese Wärme zurückgewonnen und wiederverwendet wird, können Energieverbrauch, Emissionen und Schadstoffe eingespart werden. Dadurch könnten verschiedene Branchen ihre Kosten senken, Vorschriften erfüllen und ihr Firmenimage verbessern, was weitreichendere Auswirkungen auf die Wettbewerbsfähigkeit hat. Die gewaltigen Unterschiede der Zusammensetzung und Temperaturen dieser Abgase stellen jedoch ein erhebliches Hindernis dar und haben zur Folge, dass serienmäßig produzierte Wärmetauscher für solche Aufgaben nicht infrage kommen. Das EU-finanzierte Projekt ETEKINA hat neuartige maßgeschneiderte Wärmetauscher mit Wärmerohrtechnik entwickelt, die in Pilotprojekten in den Branchen für Keramik, Stahl und Aluminium erfolgreich zum Einsatz kamen.

Vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten für komplexe Abgasströme

Wärmerohre sind Rohre, die an beiden Enden versiegelt sind und ein gesättigtes Arbeitsmedium in flüssiger Form enthalten. Das bedeutet, dass es verdampft, wenn seine Temperatur auch nur geringfügig steigt. Sie werden für das Wärmemanagement in Anwendungen von Computern bis hin zu Satelliten und Raumschiffen verwendet. In einem Wärmetauscher mit Wärmerohrtechnik werden die Wärmerohre in Bündeln an einer Platte befestigt und dann verkleidet. Eine Wärmequelle, wie ein Abgas, wird in den unteren Bereich geleitet. Dadurch verdampft das Arbeitsmedium und steigt im Rohr nach oben, wo ein Wärmeableiter wie kühle Luft in den oberen Bereich der Verkleidung geleitet wird, um die Wärme zu absorbieren. Der geschlossene Charakter des Systems minimiert Wärmeverluste, während die Platte einer Kreuzkontamination zwischen dem Abgas und der Luft weitestgehend vorbeugt. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen erfordern Wärmetauscher mit Wärmerohrtechnik geringere Oberflächenbereiche und erzielen einen höheren Wärmetransfer. Daher sind sie sehr effizient und verschmutzen weniger. Die Herausforderung besteht indes darin, die Parameter so auszuwählen, dass die größtmögliche Menge an Wärme aus komplexen Abflussströmen wiedergewonnen werden kann. Diese Parameter wiederum sind nahezu zahllos: Darunter fallen die Anzahl, der Durchmesser, die Länge und das Material der Wärmerohre, die Konfiguration ihrer Montage und das Arbeitsmedium.

Von Modellen zu Fabriken

Angesichts dieses immensen Parameterraums wurden mithilfe von numerischer Strömungsmechanik und transienter Systemsimulation (TRNSYS) Modelle entwickelt, um Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dabei zu unterstützen, maßgeschneiderte Wärmetauscher mit Wärmerohrtechnik für drei industrielle Anwendungen zu entwickeln. Beispielsweise war der verschmutzungsresistente Wärmetauscher mit Rippenwärmerohren (die Rippen erhöhen die Oberfläche, um den Wärmetransfer zu maximieren) und Querströmung zur Wärmerückgewinnung bei Keramik-Rollenherdöfen der erste dieser Konfiguration, der in der Keramikindustrie zum Einsatz kam. Die Verkleidung der Wärmerohre bestand aus Kohlenstoffstahl und Wasser diente als Arbeitsmedium. „Wir haben das Ziel des Projekts, mindestens 40 % Abwärme aus Abgasströmen zurückzugewinnen, übertroffen. Unsere Wärmetauscher mit Wärmerohrtechnik sind außerdem wesentlich kompakter als herkömmliche Wärmetauscher, sodass in der Fabrik wertvoller Platz gespart werden kann. Neben ihrer Effizienz, die Kosten und Emissionen senkt, verfügen sie auch über eine kurze Amortisationszeit“, so Hussam Jouhara von der Brunel University London, der technische und wissenschaftliche Koordinator des Projekts ETEKINA. Die Systeme konnten erfolgreich Wärme ohne Kreuzkontamination zurückgewinnen und zurück in die Fabrik leiten, damit sie für andere Zwecke wiederverwendet werden kann. Das im Rahmen von ETEKINA entwickelte Konzept von Wärmetauschern mit Wärmerohrtechnik ist äußerst skalierbar und kann an allen Arten industrieller Abgase bei einer breiten Temperaturspanne sowie an verschiedenste Wärmeableiter, darunter Luft, Wasser und Öl, angepasst werden. Ein neuartiges Hilfsmittel zur Reproduzierbarkeit wird dazu beitragen, das Zurückgewinnungspotenzial potenzieller zukünftiger Kundschaft auszuloten.

Schlüsselbegriffe

ETEKINA, Abgas, Abwärmerückgewinnung, Aluminium, Keramik, Stahl, numerische Strömungsmechanik, TRNSYS, Modellierung, Wärmetauscher mit Wärmerohrtechnik, Wärmerohr, Wärmetauscher, energieintensive Industrie, Energieeffizienz, Energieeffizienz in der Industrie

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