AiF-FV-Nummer 10924 N

Wärmeintegration bei Batchprozessen

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.11.1996 bis 31.01.1998

Forschungsstellen

  • Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V.
    Bliersheimer Str. 58 - 60, 47229 Duisburg
    http://www.iuta.de

Zusammenfassung

Forschungsziel war die wissenschaftliche Erforschung der Wärmeintegration bei „Batch“-Prozessen und ihre Analyse durch eine systematische, computergestützte Methode. Ausgehend von der thermodynamischen Pinch-Methode und dem algo-rithmischen OMNIUM-Verfahren wurde ein neues Verfahren zur Wärmeintegration bei „Batch“-Prozessen entwickelt. Dabei dient die Pinch-Methode zur Bereitstellung von Energiezielen, insbesondere der exergetischen Qualität des Netzwerkes maxi-maler Wärmeintegration. Das OMNIUM-Verfahren bietet den Vorteil einer einfachen Algorithmisierung und der Erstellung von Netzwerken. Es werden allerdings energetisch suboptimale Lösungen erzeugt. Das neue Verfahren basiert auf den Algorithmen des OMNIUM-Verfahrens, weist aber zwei entscheidende Modifikationen auf. Einerseits ist nun eine rekursive An-wendung möglich. Dadurch wird die Schwäche des OMNIUM-Verfahrens, dass jeder Stoffstrom maximal einmal verschaltet werden kann, eliminiert. Andererseits wurde ein als „Parallelisierung“ bezeichneter Algorithmus entwickelt, der zu einer Minimierung der Energieverluste führt. Das neue Verfahren erlaubt die sukzessive Entwicklung des Netzwerkes mit einer exergetischen Güte entsprechend dem vorgegebenen Energieziel gemäß der Pinch-Methode. Durch Eliminierung der Variablen Zeit wurde weiterhin die Einbindung von Wärmespeichern möglich. Ein entsprechendes Computerprogramm wurde erstellt. Dieses prüft nach der Be-rechnung der maximal mit Wärmeübertragern bzw. Speichern übertragbaren Wär-memenge den Einsatz von Wärmepumpen. Ist die Verschaltung zweier Stoffströme durch eine Wärmepumpe sinnvoll, werden zur Dimensionierung notwendige Daten berechnet. Die Sinnfälligkeit einer Wärmepumpe ist dann gegeben, wenn die Leis-tungsziffer der Verschaltung oberhalb einer vorgegebenen Leistungsziffer liegt. Das Verfahren wurde auf Modellprozesse angewendet. Dabei wurde die Qualität der erreichbaren Netzwerke einer statistischen Bewertung unterzogen. Die Güte der Wärmeintegration, die mit dem neuen Verfahren erreichbar ist, wurde an 1.000 - mittels Zufallsgenerator erzeugten – Modellprozessen überprüft. Es zeigte sich, dass das Netzwerk maximaler exergetischer Güte mit dem neuen Verfahren entwickelt wird. Da dieses Netzwerk sukzessiv entwickelt wird, ist es jederzeit möglich, die Netzwerkentwicklung an dem Punkt zu unterbrechen, an dem eine Steigerung der Wärmerückgewinnung nur mit einer unverhältnismäßig großen Steigerung der Komplexität des Netzwerkes einhergeht. Neben der Anwendung auf Modellprozesse wurde mit dem Verfahren die Wärmeintegration für einen Prozess aus der Milchwirtschaft durchgeführt. „Batch“-Prozesse laufen typischerweise bei kleinen Produktionsmengen, also insbesondere in kleinen und mittleren Unternehmen, ab. Beispiel sind die Lebensmittelindustrie, die Textilindustrie, die chemische Industrie u. a. Das entwickelte Verfahren zur Wärmeintegration bei „Batch“-Prozessen ist daher insbesondere von diesem Unternehmenskreis anzuwenden und auch wirtschaftlich zu nutzen. Darüber hinaus ist die zu entwickelnde Methode für die Herstellung der einschlägigen Komponenten wie Wärmeübertrager und Wärmespeicher sowie für Energieberatungsunternehmen zur Unterstützung bei der Auslegung von Systemen interessant. Generell ist daher dieses Instrument zur Förderung der rationellen Energienutzung im dezentralen Bereich von allgemeiner Bedeutung. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Dokumente