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DryPump Effiziente Trocknung mit Kompressionswärmepumpen

DryPump zielt darauf ab, wesentliche industrielle Forschungsfragestellungen im Kontext der Nutzung von Kompressionswärmepumpen zur industriellen Trocknung im Temperatur­bereich 60-95 °C Verdampfungstemperatur sowie bis zu 170 °C Kondensationstemperatur zu lösen. Dazu wird anhand von Funktionsmustern von Verdichtern in relevanter Baugröße und unter realen Betriebsbedingungen die Temperaturbeständigkeit kritischer Materialien, das sichere An- und Abfahren, sowie die Direkteinspritzung zur Heißgaskühlung untersucht und Konzepte zur Prozessintegration entwickelt. Somit werden in industriellen Trocknungs­prozessen mittelfristig Energieein­sparungen von bis zu 80 %, CO2 Emissionseinsparungen von bis zu 68 % sowie Primär­energieeinsparungen von bis zu 65 % ermöglicht.

In etwa 85 % aller Trocknungsprozesse werden fossil befeuerte, konvektive Ablufttrockner eingesetzt, wobei 99 % dieser Anlagen den Wasserdampf über die Abluft abführen und nicht weiter energetisch verwenden. Mit Kompressionswärmepumpen (KWP) kann die Enthalpie des Wasserdampfs in der Abluft zurückgewonnen, in den Trocknungsprozess rückgeführt und damit der Energieverbrauch dieser Prozesse um bis zu 80 % gesenkt werden. Dies ist insofern von hoher klima- und energiepolitischer Relevanz, als Trocknung allgemein als besonders energieintensiver industrieller Prozess gilt. So zeigen Studien, dass in hoch entwickelten Ländern weltweit Trocknungsprozesse einen Anteil von 25 % am industriellen Gesamtenergiebedarf aufweisen. Mit Abstand am meisten Energie wird zur Papiertrocknung eingesetzt. Weitere energieintensive Trocknungsprozesse finden sich in der Holz-, Zucker-, Lack-, Textil- und Ziegelindustrie. Der Temperaturbedarf der meisten industriellen Trocknungsprozesse liegt zwischen 100 und 200 °C.

 

Bei den Projektpartnern Wienerberger und Agrana konnten in Voruntersuchungen in Summe bereits sieben unterschiedliche Prozesse mit erforderlichen Zulufttemperaturen im Bereich von 80 bis 170 °C identifiziert werden. Die dabei ungenutzte feuchte Abluft der konvektiven Trocknung weist Taupunkte im Bereich von 60 bis 95 °C auf. Durch die Integration einer Kompressionswärmepumpe kann die feuchte Abluft als Quelle genutzt und die Trocknung in einem geschlossenen Prozess im Umluftbetrieb angetrieben werden. Der Wasserdampf in der Luft wird dabei kondensiert. Anschließend wird die Energie aus der feuchten Abluft, gemeinsam mit der Verdichterenergie, wieder in die Zuluft für den Trocknungsprozess eingebracht. Die Zuluft in den Trocknungsprozess beträgt dann rund 80 bis 170 °C.

 

Konkret sollen im Projekt DryPump technisch umsetzbarer Konzepte sowie deren wirtschaftliche Bewertung zur industriellen Trocknung ausgewählter Prozesse mittels Kompressionswärmepumpentechnologie als fundierte Vorbereitung für nachfolgende Demoprojekte entwickelt werden. Dazu werden Prozessdatenanalysen durchgeführt und konkrete Hydraulikkonzepte zur Integration in den Trocknungsprozess erarbeitet, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Um die relevanten technologischen Herausforderungen, wie zum Beispiel hohe Verdampfungstemperaturen von 60 bis 95 °C und Kondensationstemperaturen von bis zu 170 °C, zu lösen, werden drei Funktionsmuster in relevanter Baugröße experimentell untersucht.

 

Am Projektende werden ein Konzept zur optimierten Betriebsweise von Kammertrocknern im diskontinuierlichen Betrieb, ein Konzept zur Bereitstellung von Frischdampftemperaturen bis zu 170 °C zur industriellen Trocknung mittels Kompressionswärmepumpe in unterschiedlichen kontinuierlich betriebenen Trocknungsanlagen, sowie Lösungsvorschläge zur Beantwortung der technologischen Herausforderungen in Bezug auf industrielle Trocknung mittels Kompressionswärmepumpen, wie hohe Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen und direkte Wassereinspritzung zur Heißgaskühlung, vorliegen.

Ausgangssituation

In etwa 85 % aller Trocknungsprozesse werden fossil befeuerte, konvektive Ablufttrockner eingesetzt, wobei 99 % dieser Anlagen den Wasserdampf über die Abluft abführen und nicht weiter energetisch verwenden31. Mit Kompressionswärmepumpen (KWP) kann die Enthalpie des Wasserdampfs in der Abluft zurückgewonnen, in den Trocknungsprozess rückgeführt und damit der Energieverbrauch dieser Prozesse um bis zu 80 %19,[1] gesenkt werden (siehe dazu auch die genauere Beschreibung im Anhang 5.1). Dies ist insofern von hoher klima- und energiepolitischer Relevanz, als Trocknung allgemein als besonders energieintensiver industrieller Prozess gilt. So zeigen Studien, dass in hoch entwickelten Ländern weltweit Trocknungsprozesse einen Anteil von 25 %[2] am industriellen Gesamtenergiebedarf aufweisen. Wie Abbildung 3 veranschaulicht, wird mit Abstand am meisten Energie zur Papiertrocknung eingesetzt. Weitere energieintensive Trocknungsprozesse finden sich in der Holz-, Zucker-, Lack-, Textil- und Ziegelindustrie. Der Temperaturbedarf der meisten industriellen Trocknungsprozesse liegt zwischen 100 und 200°C.

 

Bei den Projektpartnern Wienerberger (P1) und Agrana (P2) konnten in Voruntersuchungen bereits 7 unterschiedliche Prozesse identifiziert werden, die eine erforderliche Zuluft­temperatur im Bereich 80 bis 170 °C aufweisen:

 

  1. Ziegeltrocknung
  2. Futtermitteltrocknung
  3. Stärketrocknung
  4. Glutentrocknung
  1. Rübenpellettrocknung
  2. Trestertrocknung
  3. Klebertrocknung

 

 

Die dabei ungenutzte feuchte Abluft der konvektiven Trocknung weist Taupunkte im Bereich von 60 bis 95 °C auf. Durch die Integration einer Kompressionswärmepumpe kann die feuchte Abluft als Quelle genutzt und die Trocknung in einem geschlossenen Prozess im Umluftbetrieb angetrieben werden. Der Wasserdampf in der Luft wird dabei kondensiert. Anschließend wird die Energie aus der feuchten Abluft, gemeinsam mit der Verdichterenergie, wieder in die Zuluft für den Trocknungsprozess eingebracht. Die Zuluft in den Trocknungsprozess beträgt dann rund 80 bis 170°C.

 


[1] Eigene Untersuchungen mit optimierten Komponenten und optimierter Betriebsweise zeigen Werte unter 0,2 kWh/kgKondensat inklusive aller Hilfsantriebe

[2] Vasile Minea, Industrial Heat Pump Drying, Refrigeration: Theory, Technology and Application, 2011, Pages 1-70, ISBN 978-1-61668-930-8

Projektverlauf

1

Ergebnisse

Konkret wurden im Projekt DryPump folgende technische Ziele erreicht:

  1. Entwicklung technisch umsetzbarer Konzepte sowie deren wirtschaftliche Bewertung zur industriellen Trocknung ausgewählter Prozesse der beiden Anwender im Projekt, Agrana (P2) und Wienerberger (P1), mittels Kompressionswärmepumpentechnologie als fundierte Vorbereitung für nachfolgende Demoprojekte;
  2. Aufbau, Test und Inbetriebsetzung der Funktionsmuster in relevanter Baugröße
  1. Evaluierung der Dichtmittel- und Schmierstoffeigenschaften sowie der Betriebsweise zum sicheren An- und Abfahren von Schraubenverdichtern mit einer Käletleistung von rd. 350 kW bei Verdampfungstemperaturen (60-95 °C) und Kondensationstemperaturen (bis 125 °C);
  2. Evaluierung der direkten Zylindereinspritzung zur Heißgaskühlung in kleinstmöglicher Ausführung zur phänomenologischen Untersuchung der Tröpfchenverdampfung bei einer Verdampfungstemperatur von etwa 120°C und einer Kondensationstemperatur bis 170 °C unter Verwendung von Wasser als Kältemittel (R718); sowie
  3. Optimierung der Betriebsbedingungen des diskontinuierlichen Ziegeltrocknungs­prozesses unter Einbindung einer Kompressionswärmepumpe bei gleich­bleibender Qualität der Ziegel mit dem Ziel, den gesamten Energieeinsatz inklusive Hilfsbetriebe zu minimieren.

 

Die betrachteten Trocknungsprozesse von Wienerberger (P1) und Agrana (P2) stehen phänomenologisch, betreffend der technischen Anforderungen der Betriebsparameter, stellvertretend für weitere Branchen, wie z.B. für die besonders energieintensive Papier­industrie oder die Herstellung von Furnierplatten. Damit tragen die Ergebnisse wesentlich dazu bei, in mittlerer Frist Wärmepumpenlösungen für eine breite Anwendergruppe anbieten zu können.

 

Im Detail gibt es folgende Ergebnisse:

  1. Konzept zur optimierten Betriebsweise von Kammertrocknern im diskontinuierlichen Betrieb;
  2. Konzept zur Bereitstellung von Frischdampftemperaturen bis zu 170 °C zur industriellen Trocknung mittels Kompressionswärmepumpe in unterschiedlichen kontinuierlich betriebenen Trocknungsanlagen; sowie
  3. Lösungsvorschläge zur Beantwortung der technologischen Herausforderungen in Bezug auf industrielle Trocknung mittels Kompressionswärmepumpen, wie hohe Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen und direkte Wassereinspritzung zur Heißgaskühlung

Steckbrief

Projektnummer
848912
Koordinator
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Projektleitung
Michael Hartl, Michael.Hartl@ait.ac.at
Partner
Wienerberger AG
AGRANA Research & Innovation Center GmbH
AMT Kältetechnik GmbH
Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH
TU Wien, Institut für Energietechnik und Thermodynamik
Institut für Ziegelforschung Essen e.V.
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
01.1970 - 01.1970
Budget
1.330.391 €