Abgaswärmetauscher in Industrie und Gewerbe

Objektbezogene Komplettlösungen bieten Planungsfreiheit
In zahlreichen Industrieunternehmen wird Prozesswärme in erheblichem Umfang erzeugt und eingesetzt. Beispiele finden sich in der Wärmebehandlung von Metallen, so etwa in Härtereibetrieben, in gewerblichen Trocknungsanlagen aller Art aber auch in der Kunststoff-, Lebensmittel- und Backindustrie.
Über Abluft- und Abgasstrecken wird die Wärmeenergie, die dabei als Nebenprodukt entsteht, allzu häufig ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben. Um diese latente Energiequelle sinnvoll zu nutzen bietet Abgasspezialist Schräder eine umfassende Systemlösung zur Wärmerückgewinnung aus industriellen Abgasen an.

Energie „aus zweiter Hand“ nutzen

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Bild 1: Der Abgaswärmetauscher wird hinter der Feuerungsanlage in die Abgasstrecke eingebaut

Die Bereitstellung von Energie für den Produktionsprozess ist für die Industrie und das verarbeitende Gewerbe ein stetig steigender Kostenfaktor. Speziell in Betrieben mit energieintensiven Produktionsprozessen, wie beispielsweise die Metallindustrie, Großbäckereien oder andere Industriezweige, die Hochtemperaturöfen betreiben, lässt sich mittels Wärmerückgewinnung ein erhebliches Energiesparpotenzial realisieren: Der Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers steigt erheblich, da die in den industriellen Abgasen enthaltene Energie weiter genutzt wird.

Dies geschieht beispielsweise durch die Rückführung zur prozessinternen Nutzung, die betriebsinterne Verwendung, z. B. bei der Warmwasserversorgung oder auch der Kälteerzeugung, und schließlich durch die mögliche Abgabe an ein Nahwärmenetz.

Abgaswärmetauscher

Speziell zur Rückgewinnung von Wärme aus hohen Abgastemperaturen konzipierte Schräder das Komplettsystem zur Wärmerückgewinnung (Bild 1). Abgedeckt werden Feuerungsleistungen von 15 bis 2 000 kW. Im Herzstück des Systems, dem wasserführenden Wärmetauscher, gewährleisten patentierte, lasergeschweißte Rippenrohre einen hohen Wirkungsgrad. Dabei zeichnet sich der Wärmetauscher durch geringe Strömungswiderstände aus, die aus einer optimierten Rauchgasführung resultieren. Die Anlage ist aus Gründen der Anlagen- und Produktionssicherheit mit einem Bypass ausgestattet, so dass der Wärmetauscher bei Bedarf umgangen werden kann.

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Bild 2: Einen Blick in das Innenleben des AWT verdeutlicht die Funktionsweise des Wärmetauschers

Die Wärmetauscher bestehen aus hochwertigem Edelstahl der Werkstoff-Nr. 1.4571/1.4404 ohne Zusatzwerkstoffe. Diese Werkstoffgüte findet aufgrund ihrer hervorragenden Qualitätseigenschaften bereits seit vielen Jahren in der Abgastechnik Verwendung. Bei besonders hohen Beanspruchungen ermöglicht der Werkstoff 1.4539 den Einsatz des Schräder-Wärmetauschers. Das Gleiche gilt bei extrem hohen Abgastemperaturen, wie z. B. Glüh- und Härteöfen. Hier kann auch der Werkstoff 1.4828 mit hohem Nickelanteil eingesetzt werden.

Muss der Abgaswärmetauscher gereinigt werden, lässt sich das Rippenrohrregister seitlich aus dem Gehäuse ziehen und außerhalb der Abgasstrecke oder auch abseits des Produktionsprozesses reinigen (Bild 2). Eine Käfigkonstruktion um das Register bietet sichere Auflageflächen.

In Verbindung mit der integrierten und temperaturbeständigen Kugellagerung des Käfigs gestaltet sich die Entnahme auch schwerer Register einfach und sicher. Das passende Hydraulikanschlussset bietet zudem erforderliche Mess- und Absperrmöglichkeiten. Der Wärmetauscher kann zudem mit einer automatischen Reinigung versehen werden.

Variante für BHKW

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Bild 3: Der Einbau eines Abgaswärmetauschers in eine Industriefeuerungsanlage ist in der Regel problemlos durchzuführen. Die Abgaskomponente wird individuell entsprechend der Leistung der Feuerstätte ausgelegt und angepasst

Mit dem Abgaswärmetauscher AWT-D wurde eine Variante speziell für den Einsatz an Blockheizkraftwerken entwickelt. In diesem Zusammenhang ist für den Betrieb im Überdruck speziell das verstärkte Gehäuse zu nennen, das sich für die maximale Anwendung von 5 000 Pa/50 mBar eignet.

Ein Bypass erlaubt auch hier die sichere Vorbeileitung des Abgasstroms am Wärmetauscher, falls dieser einmal nicht in Betrieb sein sollte. Dieser wird, je nach Einbausituation, in den AWT-D integriert oder mit einer externen Bypassbox ausgeführt. Der Abgasstrom wird über eine Klappe gesteuert, die mit einer speziellen druckfesten Wellendichtung ausgestattet ist.

Die Bypassbox ist zugelassen mit der Druckklasse H1 (5 000 Pa) sowie der Temperaturklasse T600 mit 600 °C Betriebstemperatur. Darüber hinaus sind für kundenspezifische Anwendungen Lösungen für Druckbereiche bis zu 30 000 Pa/300 mBar möglich.

Problemlose Montage dank Herstellerservice

Die Integration des Schräder-Systems zur Wärmerückgewinnung in den jeweiligen Produktionsprozess ist in der Regel problemlos durchzuführen. Die Anlage wird individuell entsprechend der Leistung der Feuerungsanlage ausgelegt (Bild 3). Die Schräder-Komplettlösung umfasst die nachfolgenden Leistungen:

  • Ermittlung der Ausgangssituation durch Punkt- sowie Langzeitmessungen von Abgas-Temperaturen und Volumenstrom im Betrieb,
  • anschließende Analyse mit einer aussagekräftigen Auswertung und Darstellung der Messergebnisse,
  • Auslegung und Planung sowie den Bau des Wärmetauschers,
  • die Montage und Integration in die Produktionsanlage,
  • die hydraulische und elektrische Einbindung,
  • die Inbetriebnahme,
  • falls gewünscht – die regelmäßige Wartung

Amortisation in kurzer Zeit

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Bild 4: Ein Abgaswärmetauscher im Einsatz in der Vergüterei einer Schraubenfabrik. Hier entstehen hohe Abgastemperaturen

Bei der Installation des Schräder-Systems mit einem Abgaswärmetauscher der Bauart AWT 20-6508S10R und einer auskoppelbaren Leistung von 55 kW, lassen sich jährlich ca. 215 000 kWh – bei 365 Tagen Laufzeit – zurückgewinnen. Die Einsparung an Kohlendioxid beträgt im selben Zeitraum ca. 53 t CO2.

Bei Investitionskosten von 28 650 € sowie 5 000 € für eine im Vorfeld durchzuführende (externe) Energieberatung beträgt die Amortisationszeit drei Jahre. Nach fünf Jahren liegt die Ersparnis bereits bei 20 826,51 €, nach zehn Jahren bei 68 731,81 €. Eine erhebliche finanzielle Einsparung, die zudem häufig durch öffentliche Förderprogramme (s. Infokasten am Ende dieses Beitrages) bezuschusst wird.

Beispiele aus der Praxis

Die Bulten GmbH, ein Hersteller von Schrauben im westfälischen Bergkamen, nutzt die in der Vergüterei aus der Abwärme der Glühöfen wiedergewonnene Energie für die Warmwasserversorgung der Waschanlage, eine Entphosphatisierungsanlage, in der die Schrauben gereinigt werden. Dazu wurden auf den Öfen je zwei Abgaswärmetauscher installiert und in die Abgasstrecke eingebunden (Bild 4).

Die Abgase durchströmen die Wärmetauscher mit einer Temperatur von ca. 350 °C und geben einen Großteil ihrer Wärme an den Wasserkreislauf ab. Beim Verlassen des Wärmetauschers beträgt die Abgastemperatur nur noch ca. 100 °C. Damit ergibt sich eine Wärmerückgewinnung von ca. 50 kW pro Abgaswärmetauscher.

Mit dem so gewonnenen Heißwasser wird ein 10 000 l fassender Pufferspeicher beschickt, der die Waschanlage versorgt. Diese benötigt daher praktisch keine Primärwärme mehr. Insgesamt ergibt sich so ein Einsparpotenzial von 38 000 € pro Jahr.

Damit amortisiert sich der Einbau der Anlage bereits nach 3,3 Jahren. Für ihr innovatives System der Abgaswärmenutzung wurde die Bulten GmbH mit der Klimaschutzflagge der Landesarbeitsgemeinschaft Agenda 21 im Kreis Unna ausgezeichnet.

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Bild 5: In Steinhagen in Ostwestfalen Lippe produziert die Firma Rokuplast hochwertige Kunststoff-Hohlformen mit Hilfe eines speziellen Verfahrens. Die Produktionskabine arbeitet mit Abgastemperaturen von 250 – 320 °C

Bei der Firma Rokuplast in Steinhagen (Ostwestfalen-Lippe) werden Formgussteile aus Kunststoff (beispielsweise WC-Kabinen oder Heuraufen für Viehweiden) produziert.

Herzstück der Produktionsstätte ist eine Shuttle-Kunststoff-Rotationsmaschine, die durch einen Gasgebläsebrenner beheizt wird. Seine Leistungsabgabe beträgt 350 – 2 600 kW. Damit lässt sich die Produktionskabine auf ca. 200 – 350 °C aufheizen (Bild 5).

Je nach Arbeitsprozess entstehen Abgastemperaturen von 250 bis 320 °C.

Die durch den Abgaswärmetauscher wiedergewonnene Wärme wird in den Heizkreislauf geführt und dient zur Beheizung der Produktionshalle sowie der Verwaltungs- und Büroräume.

Die übertragbare Wärmemenge beträgt unter Auslegungsbedingungen 130,6 kW. Geht man von einer Abgastemperatur von 300 °C aus, beträgt diese nach dem AWT noch 170 °C.

Die Wassertemperatur beträgt vor dem Wärmetauscher 70 °C, im Anschluss 90 °C. Um Schwankungen bei der Ausgangstemperatur am AWT zu vermeiden (bei Eintrittstemperaturen von 50 °C – 60 °C), wurde bauseits ein Dreiwege-Ventil eingeplant. So kann die Wassertemperatur erhöht werden, bis die benötigte Speichertemperatur von 90 °C erreicht ist.

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Bild 6: Die Abwärme des Wäschetrockners einer Hotelwäscherei wird über einen Wärmetauscher genutzt. Sie dient in erster Linie zur Beheizung des Schwimmbades. Der Wärmetauscher wurde dem Wäschetrockner nachgeschaltet und überzeugt durch eine hohe Übertragungsleistung sowie geringe Abmessungen.
Bilder: Schräder Abgastechnologie, Kamen

Ein weiteres Einsatzgebiet für Abgaswärmetauscher sind das Hotel- und Gastgewerbe. In einem Hotel in Höxter wird beispielsweise die Abwärme des Wäschetrockners in der hauseigenen Wäscherei sowie des Gasherdes in der Küche genutzt (Bild 6).

Der Wäschetrockner wird in der Regel achtmal am Tag betrieben.

Der Energieverbrauch bei einer zu trocknenden Wäschemenge von 23 – 29 kg beträgt 15 kW/h. Je nach Füll- und Trocknungsgrad beträgt die Abwärme des Trockners trotzdem noch ca. 80 °C.

Durch den nachgeschalteten Wärmetauscher lässt sie sich sinnvoll zur Schwimmbeckenbeheizung nutzen.

Fazit

Durch den Einsatz von Abgaswärmetauschern werden die Betreiber von Feuerungsanlagen mit hohen Abgastemperaturen in die Lage versetzt, den Wirkungsgrad ihrer Anlagen erheblich zu verbessern. Die wiedergewonnene Wärme kann in Produktions-, Fertigungs- oder Reinigungsprozessen zum Einsatz kommen.

Ebenso lassen sich Produktionshallen oder Büroräume beheizen. Zusätzliche Optionen sind die Abgabe an ein Wärmenetz, die Nutzung zur Wärme- und Kälteerzeugung oder auch die Wandlung in elektrische Energie.

Der Hersteller begleitet interessierte SHK-Fachhandwerker bereits in der Planungsphase, um den Einsatz dieser zukunftsweisenden Technologie zu ermöglichen. So kann nicht nur bares Geld gespart, sondern auch die CO2-Bilanz verbessert werden.

Fördermittel

Bund und Länder unterstützen Unternehmen, die industrielle Abwärme nutzen wollen: Im Mai 2016 haben sowohl die KfW als auch das BAFA Förderprogramme vorgestellt, die attraktive Förderungen für Investitionen in Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung vorsehen.

Das „KfW-Energieeffizienzprogramm Abwärme“ ist Bestandteil der Offensive Abwärmenutzung im Rahmen des Nationalen Aktionsplans Energieeffizienz (NAPE) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Investitionen in Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung werden über zinsgünstige Kredite mit Tilgungszuschüssen von 30 bis 50 % gefördert. Das BAFA-Programm „Förderung von hocheffizienten Querschnittstechnologien“ sieht Zuschüsse von bis zu 30 % der Investitionskosten vor.

Detaillierte Informationen – auch zu regionalen Fördermitteln – erhalten Sie unter:

foerdermittel@schraeder.com oder www.foerderdatenbank.de

Autor

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Karl-Heinz Schräder, Inhaber der Firma Schräder Abgastechnologie, Kamen.