Abgaswärmetauscher in der Produktion

Weniger Energie verbrauchen

Das Energiemanagement bei Miele, ein nach DIN ISO 50001 zertifiziertes Unternehmen, liegt in Händen von Martin Milchers, dem Leiter der Betriebstechnik, der gleichzeitig ausgebildeter Energieberater ist. Er war maßgeblich an der Umsetzung der Wärmerückgewinnung beteiligt. „Miele legt nicht nur Wert auf energieeffiziente und nachhaltige Produkte, diese Maßstäbe gelten auch für die Herstellung“, stellt Martin Milchers fest. Gerade bei der Produktion von Backöfen wird in Teilen mit Temperaturen von 840 bis 860 °C gearbeitet, denn der Innenkorpus jedes Backofens sowie die Formteile wie Backbleche werden nach dem Miele-Patent Elektro-Tauch-Emaillierung „ETE“ emailliert. Der Brennofen für Backmuffeln leistet 1.100 kW, der Brennofen für Formteile wie Bleche 1.300 kW. Die Durchlaufzeit der beschichteten und vorgetrockneten Teile beträgt ca. 45 min. Das Einbrennen der Beschichtung ist ein energieintensiver Vorgang, der eine hohe Abwärme von bis zu 250 °C nach sich zieht. Hier setzt das Projekt zur Wärmerückgewinnung (WRG) an.

1. Schritt: gute Planung

Die genaue Datenerfassung an den vorhandenen Abgasanlagen mithilfe eines Volumenstrom-Messgeräts stand am Beginn des Projekts. Über sieben Tage wurden Abgasvolumenstrom, Temperatur, Geschwindigkeit und Druck ermittelt.

Anhand dieser Daten konnten von NET/Raab eine Prognose zur möglichen Energierückgewinnung sowie eine vorläufige Planung erstellt werden. Diese umfasste den Einsatz von zwei Abgaswärmetauschern, Saugzuggebläsen, Abgassystemen sowie den weiteren Komponenten für die Installation. Die Abgastemperatur sollte von 250 auf ca. 115 °C nach den Wärmetauschern sinken.

Des Weiteren sah das Konzept vor, den Energiegewinn in die zum Emaillierprozess gehörenden Tauchbecken einzubringen. Vier davon werden auf 60 und zwei auf 30 °C erwärmt. Hier sollte die energieintensive Beheizung mittels Heizstäben ersetzt werden. Das Konzept wurde anschließend von einem externen Planungsbüro überprüft.

Blick auf die
Wirtschaftlichkeit

Die Energierückgewinnung aus dem Abgas der beiden Brenn­öfen wurde von der Ottensmeier Ingenieure GmbH, Paderborn, untersucht. Ziel war es, nach definierten Angaben eine Prognose über die Wirtschaftlichkeit abzugeben. Dabei war die Auslastung des Emaillierwerkes von Bedeutung, wobei die Laufzeit der beiden Brennöfen sowie die Nutzung der Entfettungs- bzw. Aktivierungsbecken von Miele selbst ermittelt wurden.

Grundlage der Berechnung bildeten neben der Auslastung unter anderem die Investitionssumme, der mögliche jährliche Erlös aus der Wärmerückgewinnung sowie die Stromkosten. Außerdem wurde eine Schwankungsbreite der Kostenschätzung von ± 20 % angesetzt. Als Ergebnis hielt Ottensmeier Ingenieure fest, dass die Wirtschaftlichkeit über die gesamte Kostenschwankungsbreite gegeben ist. Mit einer Amortisation sei nach 2,7, spätestens aber nach 4,1 Jahren zu rechnen.

Objektspezifische Wärmetauscher

Nach dieser Aussage konnte NET/Raab die Fertigung der Komponenten starten, die Miele-Betriebstechnik bereitete die Baumaßnahme vor. Da das Emaillierwerk teils sogar im Dreischichtbetrieb lief, ließ sich die Vorrüstung allerdings nur Schritt für Schritt abwickeln. So wurde für den Wärmetauscher über dem jeweiligen Brennofen ein Haltegerüst errichtet. Wasserzu- und -abläufe sowie die Stromversorgung waren vorzubereiten. Die Installation der Wärmetauscher musste so vorgesehen werden, dass die kurzen Stillstandszeiten der zwei gasbetriebenen Brennöfen genutzt wurden.

Erschlossen wird der Ertrag von rund 407.000 kWh/a mit zwei NET-Wärmetauschern: „Thermojekt Typ R 12.8-45“ bzw. „Typ „R 7.8-24“. Als maximale Wärmeleistung unter Auslegungsbedingungen werden 97 bzw. 50 kW angegeben. Ein solches Bauteil enthält als wichtigste Komponente ein hochlegiertes Stahl­register (1.4571/1.4404) aus 12,5 mm hohen Rippenrohren, deren Rippen eine Stärke von 0,5 mm und einen Abstand von 4,23 mm zueinander haben. Abhängig von der Größe des „Thermojekt“ variiert die Anzahl der Rippenrohre im Register. Es lässt sich für die Reinigung und Wartung leicht aus dem Gehäuse herausziehen. Dies wird notwendig, wenn nach längerem Betrieb Ablagerungen auf den Wärmetauscherflächen entstanden sind. Am Register sind Wasserein- und -austritt von 1,5“ definiert, außerdem sitzt hier ein Temperaturfühler. Der Durchmesser des Abgasein- und -austritts ist von der Bestandsanlage abhängig. Im Miele-Werk Oelde wurden Anschlüsse in DN 300 und 350 eingesetzt. Im Boden des Wärmetauschers befindet sich ein Kondensatablauf.

Bei der eigentlichen Installation war auf eine korrekte Befestigung zu achten. Die Wärmetauscher verfügen über Montageösen, wobei die Verschraubung nur auf einer Seite starr sein darf. Damit ist sichergestellt, dass durch die Wärme im Betrieb eine Längenausdehnung ohne Schäden erfolgen kann.

Sicherheit durch Bypass …

Des Weiteren wurde an jedem Wärmetauscher ein externer Bypass vorgesehen. Damit kann das Abgas in jedem Fall ungehindert über das Dach abgeleitet werden, selbst wenn der Wärmetauscher beispielsweise während einer Wartung kurzfristig nicht im Einsatz ist. Im Vergleich zu einem internen Bypass – das Abgas wird durch einen Seitenkanal des Wärmetauschers geleitet – ist die redundante Ausführung die bessere Variante, weil selbst im laufenden Betrieb Wartungen durchgeführt werden können. Dazu wurden zwei Bypass-Umschaltboxen mit den Nennweiten 300 und 350 mm gewählt, die mit einer nicht brennbaren Mineralfaser-Wärmedämmung von 30 mm Stärke und einer VA-Blechverkleidung gegen Wärme- und Abstrahlverluste ausgestattet wurden. Der Schmelzpunkt liegt bei über 1.000 °C. Enthalten ist jeweils ein Stellantrieb für die Umschaltklappe. Für die Anbindung mit dem Bestand wurden doppelwandige Edelstahl-Schornsteine aus der Raab-Serie „DW“ genutzt. Zum Einsatz kamen die Nennweiten DN 300 und 350. Die beiden Anlagen führen dann die Abgase über Dach ins Freie.

Für die Wärmetauscher wurde jeweils ein Hydraulikanschluss-Set installiert, das aus einem Sicherheitstemperaturbegrenzer, einem Sicherheitsdruckbegrenzer mit 6 bar und einem Sicherheitsventil besteht.

… und durch einen Rauchsauger

Auf der Abgasstrecke wurde ein Rauchsauger „Diajekt RSD 350“ von Kutzner + Weber montiert. Ein solches Gerät weist eine Reihe von Vorteilen auf. So bewirkt es einen zuverlässigen Zug in der Abgasanlage. Dazu betreibt der Motor ein Lüfterrad, so dass die Abgase kontinuierlich nach außen transportiert werden. Durch die spezielle Anordnung der Austrittsöffnungen wird ein diagonaler Auswurf erzeugt. Der Druckverlust wird als gering angegeben und liegt im normalen Bereich der Messschwankungen. Aufgrund seiner besonderen Konstruktion ist die freie Ausströmung auch im Stillstand sichergestellt. Der „Diajekt“ wird bis auf den Motor komplett aus rostfreiem Edelstahl gefertigt und gilt als langlebig, da alle elektronischen Bauteile außerhalb der aggressiven und heißen Abgase angeordnet sind.

Die Montage gestaltete sich einfach. Da die Abdeckhaube als Handgriff verwendet werden kann, war das Gerät leicht zu transportieren. Mithilfe von Einsteckadaptern erzielte man eine hohe Standfestigkeit bei dem runden Abgassystem. Der Wartungsaufwand ist gering, zumal Schnellverschlüsse am Gehäuse eine rasche und einfache Wartung bzw. Reinigung ermöglichen. Ein Wartungsschalter wurde an der Anlage mit dem Rauchsauger installiert. Trotz seiner hohen Leistungsstärke gilt der Rauchsauger als leise im Betrieb und vergleichsweise sparsam im Energieverbrauch.

Das Gerät läuft nur, wenn die Anlage in Betrieb ist. Dazu wurde die Verbindung vom Motor zur Gebäudeleittechnik hergestellt. Alle Daten lassen sich von der zentralen Steuerung erfassen und bei Bedarf kontrollieren.

Erfahrungen

Von der Inbetriebnahme im September 2017 an konnten die NET-Wärmetauscher permanent Energie zurückgewinnen. Die Daten lassen sich abrufen und kontrollieren. Etwas mehr als die Hälfte der Energie wird über einen 4.000 l fassenden Pufferspeicher in die sechs Tauchbecken geleitet. Außerdem können knapp 50 % der Wärme in die Gebäudebeheizung fließen.

Damit wird die von NET prognostizierte Amortisation nach ca. dreieinhalb Jahren mit großer Wahrscheinlichkeit erreicht. Die eingesetzten Bauteile arbeiten zur Zufriedenheit des Bauherrn. Passend zum Nachhaltigkeitsgedanken kann Miele zudem eine CO₂-Einsparung von rund 282 t verbuchen.