Integration von Wärmepumpen in Industrieprozesse

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Integration von Wärmepumpen in Industrieprozesse. Dabei wurden zwei Industrieprozesse hinsichtlich der ungenutzten Prozesswärme und der Wirtschaftlichkeit genauer betrachtet. Bei der ersten Prozessanalyse wurde ein Kraftwerksprozess untersucht, der Strom, Dampf und Fernwärme für unterschiedliche Industrieverbraucher liefert. Dabei konzentrierte man sich auf die Nutzung der Abwärme im Kühlsystem einer Dampfturbine. Für die Kühlung der Turbine wird Hydrauliköl verwendet, das die aufgenommene Wärme bis dato an die Umgebung abgibt. Diese ungenutzte Wärmequelle wurde für die Integration einer Wärmepumpe herangezogen. Bei der zweiten Prozessanalyse wurde ein Molkereiprozess untersucht. Im Zuge der Simulation wurden durch unterschiedliche Konfigurationen diverse Milchsorten betrachtet, die unterschiedliche Temperaturniveaus benötigen. Die Temperaturen reichen dabei von 75° bis 138°C und werden durch eine gasgefeuerte Energieversorgung bereitgestellt. Um die erhitzte Milch wieder abzukühlen, wird ein Eiskreislauf verwendet, der über einen Wärmeübertrager die Milch auf 5°C herunterkühlt. Der Eiskreislauf muss wiederum von einer Kältemaschine auf ein konstantes Temperaturniveau von 2°C heruntergekühlt werden. Die durch die Kühlung des Arbeitsmediums (Eiskreislauf) übertragene Wärme an die Kältemaschine wird über einen Kühler an die Umgebung abgegeben. Diese ungenutzte Prozessabwärme wurde ebenfalls zum Anlass für eine weitere detaillierte Untersuchung. Bei der Simulation der beiden Industrieprozesse mittels des Programms IPSEpro wurden durch die unterschiedlichen Prozesstemperaturen diverse Wärmepumpenschaltungen, Temperaturstufungen und Kältemittel miteinander verglichen, um daraus wertvolle Erkenntnisse in Bezug auf das Verhalten der jeweiligen Anlage zu entnehmen. Mittels der gewonnenen Erkenntnisse aus der Kraftwerkssimulation konnte eine ideale Wärmenutzungstemperatur von 110°C bestimmt werden. Unter der Verwendung dieser Wärmenutzungstemperatur lässt sich angesichts der Gesamtkosteneinsparung und der Amortisationszeit eine ressourcen- und umweltschonende Prozesskette aufbauen. Beim Molkereiprozess konnte durch den Vergleich der unterschiedlichen Milch-Produkttemperaturen wertvolle Erkenntnisse bezüglich der optimalen Wärmepumpenschaltung erzielt werden. Des Weiteren wurden die Gesamtkosteneinsparungen und die Amortisationszeiten für die diversen Milchprodukte ermittelt und entsprechende Rückschlüsse für den Molkereiprozess gezogen.

This thesis deals with the integration of heat pumps in industrial processes. I looked closely at two industrial processes with regard to their unused process waste heat and economic efficiency. During the first process analysis, a power plant process was investigated, which supplies electricity, steam and district heating for different industrial consumers. We concentrated on the use of waste heat in the cooling system of a steam turbine. For the cooling of the turbine hydraulic oil is used, which emits the stored heat to date to the environment. This unused heat source was used for the integration of a heat pump. In the second process analysis, a dairy process was investigated. As part of the simulation, different configurations were used to consider different types of milk which require different temperature levels. The temperatures range from 75-138°C and are provided by a gas-fired power supply. To cool the heated milk again, an ice cycle is used, which cools the milk down to 5°C via a heat exchanger. The ice cycle must be cooled by a refrigeration system to a constant temperature level of 2°C. The heat transferred to the chiller by the cooling of the working medium (ice cycle) is transferred to the environment via a cooler. This wasted waste heat became also the starting point for further detailed investigation. In the simulation of the two industrial processes using the IPSEpro program, the different process temperatures were used to compare various heat pump circuits, temperature gradients and refrigerants in order to obtain valuable information on the behaviour of the respective plant. Using the knowledge, gained from the power plant simulation, an ideal heat utilization temperature of 110°C could be determined. Using this heat utilization temperature, a resource- and environmentally friendly process chain can be built in view of the overall cost savings and the payback period. In the dairy process, it was possible to gain valuable insights into the optimal heat pump circuit by comparing the different milk product temperatures. Furthermore, the total cost savings and the payback periods for the various dairy products were de-termined and appropriate conclusions for the dairy process were drawn.