Transcript Warmterecuperatie

Warmterecuperatie
Centexbel
Frank Van Overmeire
een gezamenlijk initiatief van:
met steun van:
Warmterecuperatie
 Algemene principes
 Soorten warmtewisselaars
 Mogelijkheden tot warmterecuperatie
Warmterecuperatie
Concepten en vragen
 Over welke temperatuur hebben we het ?
 Over welke warmtehoeveelheden (MJ/h GJ/jaar)
 Over welke massastromen
 Lucht, water, stoom, ..
 Zuiverheid
 Debieten
 Kan warmte gerecupereerd worden
 Wat kunnen we doen met gerecupereerde warmte?
Concepten en vragen
 Waar is de mogelijkheid tot warmterecuperatie?
 In proces
 In utilities (stookplaats, persluchtlokaal)
 centraal of gedecentraliseerd
 Wat zijn omgevingsomstandigheden?
 Bevuiling
 Latente warmte?
 Corrosief?
 Waneer is warmte beschikbaar?
 Continu
 batchgewijs
Mogelijkheden tot warmterecuperatie

Ketelhuis en warmteverdelingsnetten:





rookgassen,
de spui,
condensaatterugvoer
voorverwarming van ketelvoedingswater, verbrandingslucht,
rookgascondensors






Warmterecuperatie op perslucht
Warme afvalwaters
Warme extractieluchten
WKK
Koelwater
Klimatisatie

Andere ideeën uit zaal?
Andere kant
 Wat gaat men doen met die warmte?
Mogelijkheden om
warmterecuperatie toe te passen
 Warmterecuperatie in het ketelhuis en
warmteverdelingsnetten:
de warmte wordt gebruikt om de verbrandingslucht
of suppletiewater voor te verwarmen.
 Proceswater of –lucht voorverwarmen
 Grondstoffen verwarmen
 Lokalen verwarmen
 Water voor douches
 Zwembad van villa naast fabriek
 …..
Voorwaarden voor zinvolle
warmterecuperatie
 Voldoende warmte op geschikte temperatuur:
Warmteoverschot moet heter zijn dan warmtevraag
(soms kan warmtepomp dit verhelpen)
 Gelijktijdigheid van warmteoverschot en -tekort
 Warme en koude stroom voldoende dicht bij mekaar
 Niet te zware belading van de stromen
(vooral aanzettingen en vaste deeltjes)
 economische haalbaarheid
 wetgeving (bvb over lozing van warm afvalwater)
Basisprincipes
Q  warm cwarm (Twarm ,in  Twarm ,uit )
 koud ckoud (Tkoud ,uit  Tkoud ,in )
Als we warmteverliezen verwaarlozen
Rendement = verhouding tussen hoeveelheid effectief
gerecupereerde warmte tov wat men maximaal zou kunnen
recupereren (als men één van beide fluïda maximaal afkoelt
of opwarmt)
T-Q-diagramma
Temperatuur
warme stroom
UIT
IN
IN
UIT
koude stroom
Hoeveelheid uitgewisselde warmte
11
T-Q-diagramma
Oneindig grote warmtewisselaar
Reële situatie
T
T
DTapproach
Recup
Q
Recup
Maximale Q
T-Q  Temperaturen bij in- en uittrede van de warmtewisselaar
 Recupereerbare warmtehoeveelheid  Brandstofbesparing
T-Q-diagramma
T
T
Recup
Q
Recup
Voorbeelden waar men veel minder recupereert dan er langs
warme kant inzit
Temperatuurniveaus
 Opmerking:
Bij verdamping/condensatie: Q  warm DH faseovergang
 Warme en koude stromen in T-Q-grafiek zetten
Beide stromen verschuiven tot minimaal temperatuurverschil
optreedt: DTmin
 Richtwaarden:





Faseovergang
Vloeistof-vloeistof:
Vloeistof – gas:
Gas-gas:
Rookgassen
DTmin =
DTmin =
DTmin =
DTmin =
DTmin =
5 °C
10 °C
15 °C
25 °C
50 °C
Recupereren & Recycleren:
warmte
 Q = U * A * DTlm
warmtetransfercoëfficiënt * uitwisselingsopp. * DT
DTlm = logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil
DTlm = (DT1 - DT2) / ln(DT1 / DT2)
 --->
turbulentie ,
 wanddikte ,
 DT
warmterecuperatie
 DTlm -tegenstroom > DTlm -gelijkstroom  kleiner
warmte-uitwisselingsoppervlak nodig bij tegenstroom
Tegenstroom
DT1
Gelijkstroom
DT1
DT2
DT2
Warmterecuperatie
 Algemene principes
 Soorten warmtewisselaars
 Mogelijkheden tot warmterecuperatie
Type warmtewisselaars
 pijpenbundels (shell en tubes): groot volume,
eenvoudige constructie
 platen WW: kleiner volume, hogere drukval, hoge
warmtetransfercoëfficiënt,
gevoelig voor mechanische onzuiverheden
 Roterende regenerator
 …
Type warmtewisselaars




Vloeistof – vloeistof
Gas – gas
Vloeistof – gas
Met of zonder faseverandering




Gelijkstroom
Tegenstroom
crossflow
…
Keuze en soorten warmtewisselaars
 Keuze warmtewisselaar is belangrijk
 Hulpmiddel : zie
http://www.heattransferabc.com/en/downloads.asp
 NExT_selection.xls
Types Warmtewisselaars
Vloeistof - Vloeistof
Types Warmtewisselaars
Gas – Gas Recuperatie
Types Warmtewisselaars
Gas – Gas Regeneratie
Lucht-Lucht – warmtewisselaars
Eigenschappen van warmterecuperatiesystemen lucht-lucht
Eigenschap
Warmtewiel
Toevoer- en
afvoerkanaal bij
elkaar
Bewegende delen
Gewicht (kg) bij
20000 m³/h lucht
Ingenomen volume
(m³) bij 20000
m³/h lucht
Gevaar voor luchtlek
en stofoverdracht
Maximum haalbaar
luchtdebiet (m³/h)
Corrosieve lucht
Sterk vervuilde
lucht (poeder,vet)
richtprijs W.W.
10000 m³/h
Warmtepijp
ja
Systeem met
tussenkringloop
gescheiden
ja
Buizenwisselaar
glas
ja
Platenwisselaar
aluminium
ja
ja
600
ja (pomp)
400
neen
500
neen
1800
neen
300
8
4
2
10
7
ja
neen
neen
neen
neen
150000
onbeperkt
20000
50000
70000
speciale legering
of materiaal nodig
beperkt bruikbaar
speciale legering,
met coating
bruikbaar met:
- reiniging
- aangepaste buizen
0,8
speciale legering
bijna onbeperkt bij
glas
goed geschikt
indien te reinigen
(moduulbouw)
2-2,5
zeer beperkt bij
aluminium
goed bruikbaar
met reiniging
1,2
idem
1,5
1
Warmterecuperatie
 Algemene principes
 Soorten warmtewisselaars
 Mogelijkheden tot warmterecuperatie
Mogelijkheden om
warmterecuperatie toe te passen
 de eenvoudigste manier om warmte te recupereren:
een warme processtroom terug sturen naar het
proces.
 recycleren van verbrandingsgassen in de
branderluchttoevoer
 gecondenseerde verwarmingsstoom verder gebruiken als
proceswarmte en terug naar de
stoomketel i.p.v. vers ketelwater
 op een wasmachine warm water naar een andere wasbak
sturen
Voorbeelden warmterecuperatie
 Vloeistof - vloeistof WW
 koelwater van verfbad (70-80°C) wordt proceswater
 koeling van warm afvalwater met vers koud proceswater
 Gas - vloeistof WW
 warmterecuperatie uit rookgassen van stookketels
warmterecuperatie uit afgassen van spanramen
 Gas - gas WW
 voorverwarming van ketelverbrandingslucht met warmte
uit rookgassen of uit afgassen van spanramen
 Verse lucht op droger voorverwarmen met warmte uit
extractielucht
Warmterecuperatie op globaal
afvalwater
 Voldoende ingeburgerd, onder andere om
milieuredenen.
 Nochtans zijn er nog altijd bedrijven waar men
koeling van afvalwater doet via natuurlijke afkoeling
in grote buffertanks of waterreservoirs, bijmengen
van koelwater ...
 Men moet wel beseffen dat warmterecuperatie op
globaal afvalwater de mogelijkheid voor andere
toepassingen waarbij warm water geproduceerd
wordt beperkt.
33
Warmterecuperatie op globaal
afvalwater
 Keuze tussen centrale of gedecentraliseerde
warmterecuperatie moet rekening houden met
 plaats van lozingspunten (ligging van machines),
 verloop van lozingen in functie van tijd tijdstippen;
continu of discontinu ?
 In het algemeen is gedecentraliseerde
warmterecuperatie aan te raden bij continue
installaties en gecentraliseerde lozing bij discontinue
installaties (tenzij ze ver van mekaar liggen).
34
Warmterecuperatie op globaal
afvalwater
 Typisch wordt afvalwater van 60 -65° naar 35°
afgekoeld en daarmee wordt vers water opgewarmd
van 10 naar 45 - 50°.
 In een aantal bedrijven zou men meer warm water
kunnen produceren, doch dit vergt dan lozen van
baden aan 130°; nu gebeurt dit door die baden eerst
af te koelen tot 80° en die warmte wordt in
koeltoren afgevoerd.
 2 opties : ofwel HT-lozen in een tank die onder druk
staat, ofwel HT-lozing mengen met een deel kouder
afvalwater
35
Voorbeeld koelen van textiel
 Textielproductie:
25 m/min = 1500 m/h
2,2 m breed
200 g/m²
 Weefsel moet afgekoeld worden van 60 °C naar 20°C
 Constructeur stelt voor dit te doen met
10 m³/h koelwater aan 15 °C
 Commentaar?
Voorbeeld koelen van textiel
Oplossing
 Berekenen textielproductie:
2,2 m * 200 g/m² * 25 m/min * 60 min/h = 660 kg/h
 Af te voeren warmte:
660 kg/h * 40° * 1,5 kJ/kg° = 39600 kJ/h
 Als men dit doet met 10 m³/h water, dan wordt dit
water opgewarmd over
39600
kJ/h / (10 000 kg/h * 4,2 kJ/kg°) = 0,9 °...
 Andersom kan men berekenen dat om water bvb met
10° op te warmen men maar 0,9 m³/h mag
inzetten... (zie ook Afkoelen.xls)
Energiebesparingen in ververij
(TVI)
Energiebesparingen in ververij
(TVI)
dyeing
machines
need of 280 m³/day + 50
water at 65°C
tank for hot
proces
water
100 m³/day at 40°C
T < 30°C
280 m³/day
tank for
hot
effluents
heat
recovery
120 m³/day
fresh water
supply of 230
drain
40
Warmterecuperatie op
wasmachine
 warmterecuperatie op uw wasmachine of gebruikt u
warm water afkomstig van een centraal
warmterecuperatiesysteem?
 voordelen en nadelen van beide systemen?
 functioneert de warmterecuperatie optimaal?
41
82 °C
8,5 m³/h
42 °C
14,7 m³/h
40 % van de warme
afvalwaters gaan direct
naar de riool (bij een
temperatuur van 82 °C!)
12 °C
14,7 m³/h
25 °C
8,5 m³/h
Warmterecuperatie op ovens
Warmterecuperatie
Warmterecuperatie op oven
Warmterecuperatie op oven
 Fixatieprocessen bij hoge temperatuur (190°C),
dus interessant
 WRG-concept
 Fase 1: opgewarmde lucht naar spanraam
 Fase 2: warm water gaat naar ververij
 Maar …
 Fase 1: verse lucht hooguit 60% extractielucht
 Fase 2: concurrent voor warmterecuperatie op
afvalwater !
4
3
Filter
1
2
Luchtintredes
47
Drukdrogen
Tin
Tkoeling
Tuit
48
Drukdroger
 Grootste deel van energie wordt gerecupereerd
onder vorm van warm water
 Maar wat doet men ermee als men al
warmterecuperatie op afvalwater in ververij heeft?
Optimalisatie van koeling bij
extruders
 minstens koelwater niet naar riool sturen
 Indien men meerdere extruders heeft, alle koelers
samen op één circuit aansluiten
 Hier ook interesse in absorptiekoeling
50
warmtebalans van een oliegeïnjecteerde schroefcompressor
Warmte-aanbod
100%
Motorwarmte: 9%
Oliewarmte
75%
Stralingswarmte
2% van compressor
3%
Warmte in
perslucht
95%
Nakoeler: 11%
Nuttige warmte voor warmterecuperatie
50 à 60 °C bij een luchtgekoelde compressor
90 à 95 °C bij een watergekoelde compressor
51
Warmterecuperatie op perslucht
 meestal beperkt tot gebruik van opgewarmde lucht
voor het verwarmen van magazijnen en
produktieruimten in de winter.
 warmte die men afvoert via het koelwater, wordt
meestal afgevoerd in koeltorens (in winter naar
lokaalverwarming / klimatisatie)
52
Warmterecuperatie op perslucht
Totaal elektrisch
vermogen 100%
Stralingwarmte van de
aandrijfmotor = 9%
Warmterecuperatie van de
oliekoeler = 72%
Stralingswarmte = 2%
Warmterecuperatie van de
nakoeler = 13%
Overblijvende warmte in de
perslucht = 4%
Onder ideale omstandigheden kan 94% van de energie gerecupereerd worden.
Warmterecuperatie op perslucht
 één bedrijf al meer dan 10 jaar een
warmterecuperatie op watergekoelde olievrije
schroefcompressor van Atlas Copco.
 geen apart gesloten circuit maar rechtstreeks gevoed met
koelwater van 10°
 positief uitgevallen omdat bijkomende kosten
waterbehandeling meevielen;
 het bekomen warm water van ongeveer 90° wordt
gebruikt als ketelvoedingswater
54
Afvalverwerking & luchtzuivering
 Zuivering van afgassen uit proces (vb. spanramen):
terugvoer naar ketel als verbrandingslucht
---> recuperatie van warmte en verbrandingswaarde
---> vermindering van absolute uitstoot van KWS, CO,
CO2, NOX
55
Verontreinigde lucht
70ºC
Verwerkingswatercontainer
Warmtewisselaar
140ºC
Spanraam
40 m3
60ºC
Stof
Verwerkingswater
4.000 Nm3/u
Verontr. lucht
Propaan
Stoom
220ºC
Ketel 4t/u
voll. belast.
Warmtewisselaar
Verontreinigde
lucht
60ºC
56
Voorbeeld warmtekrachtkoppeling
 3 gasmotoren (2 x 1000 kWel + 780 kWel)
 Jenbacher 2 x 20 cyl + 1 x 16 cyl in V met turbointercooler
 Rookgassen (520° – 160°) door 3-gangen recuperatieketel
op bestaande stoomnet (1,6 bar)
 Koelwater :
 Cilinderwanden + 1ste trap intercooler : 90° - 60° (50 m³/uur)
 2de trap intercooler + turbo : 45° - 40° (12 m³/uur)
Voorbeeld warmtekrachtkoppeling
 Verbruik van de warmte
 Stoom (continu 2,7 ton/uur) op het interne stoomnet van
1,6 bar
 Warm water 90° :
 Verwarming van buitenlucht voor drogers
 Verwarming van rivierwater voor wasproces
 Centrale verwarming burelen + werkplaatsen
 Warm water 45° :
 Verwarming van rivierwater voor bevochtiging lucht
viscosespinnerij
Voorbeeld warmtekrachtkoppeling
 Ander voorbeeld: bij loonveredelaar WKK maar geen
warmterecuperatie op afvalwater !
Problemen met warmtewisselaars
 Vervuiling in warmtewisselaars in de
geïndustrialiseerde landen kost ca. 0.25% van hun
BNP aan “extra” energiekosten. Voor Nederland met
een BNP van € 490 miljard betekent dit een
kostenpost van € 1 miljard op jaarbasis.
 Door vervuiling vermindert warmteoverdracht en
verhoogt drukval over warmtewisselaar !
 Kloppen debieten – temperaturen na verloop van tijd
met ontwerpgegevens?
Variabele kosten net zo belangrijk zijn
als de initiële kosten.
Nog vragen ?
 Suggesties altijd welkom bij
[email protected] of
[email protected]
 Volgende sessie: DONDERDAG 16 FEBRUARI
DROGEN van textielmaterialen (en andere
thermische behandelingen)