[:de]Die 3 wichtigsten Voraussetzungen zur Abwärmenutzung bei der Extrusion[:en]The 3 most important requirements for waste heat usage from extrusion[:]

[:de]

Bei der Extrusion wird der Kunststoff von Umgebungstemperaturniveau auf ein erhöhtes Temperaturniveau (meist >180°C) erwärmt, so dass die Schmelze plastisch verformbar wird. Nach der Ausformung des Produktes (Folie, Rohr, Profil, Platte, etc.) wird das Produkt zur Erreichung einer Formstabilität wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Es wird somit zunächst thermische Energie “erzeugt”, die direkt im Anschluss an den formgebenden Prozessschritt wieder “vernichtet” wird. Eine Nutzung von Abwärme ist somit naheliegend, aber wie, womit und wozu?

Letztendlich wird bei der Extrusion kontinuierlich (sehr kostenintensive) elektrische Energie eingesetzt um damit im Extruder sowie in den elektrischen Heizungen thermische Energie zu erzeugen (Energieumwandlung). Diese thermische Energie wird zu einem Teil als “Abwärme” an die Umgebung übertragen, ist aber zum größten Teil im Extrudat als thermische Energie “gespeichert”. In der Kühlstrecke wird diese thermische Energie dem Extrudat entzogen (das Produkt wird abgekühlt). Die Abfuhr der Energie erfolgt dabei über klassische Prinzipien der Wärmeübertragung und erfolgt an ein sekundäres Medium (meist Wasser, Luft, Öl). Dieses Kühlmedium wird zu dessen Rückkühlung einer Kältemaschine oder einem Freikühler zugeführt, der diese thermische Energie in einem elektrisch angetriebenen (kostenintensiven) Prozess an die Umgebung abführt.

Es wird also zunächst elektrische Energie eingesetzt um thermische Energie zu “erzeugen” und anschließend noch einmal elektrische Energie eingesetzt um die im Produkt enthaltene thermische Energie wieder zu “vernichten”.

Die wichtigsten Voraussetzungen zur Abwärmenutzung

Damit Abwärme sinnvoll genutzt werden kann sind gewisse Voraussetzungen zu erfüllen. Die folgende Auflistung zeigt die Voraussetzungen die sich in der Kunststoffverarbeitung als sinnvoll erwiesen haben, auch wenn in anderen Situationen sicher andere Kriterien gelten.

1. Die Abwärme ist in einem konkreten Volumenstrom gebunden (z.B. Kühlwasserkreislauf, Ölkreislauf, Luftvolumenstrom) und liegt nicht als latente Abwärme (z.B. warme Oberflächen) vor.
2. Die Abwärme verfügt über ein interessantes Temperaturniveau (ab ca. 50°C – je höher desto besser).
3. Es existiert eine “Wärmesenke” die vom Leistungsbedarf her zur “Wärmequelle” passt.

Zu Punkt 1: Volumenstrom

Häufig ist die Wunschvorstellung, dass latent vorhandene Abwärme als Wärmequelle genutzt wird. Latente Abwärme liegt in Extrusionsbetrieben an vielen verschiedenen Stellen vor, beispielsweise an den warmen Oberflächen des Extruderzylinders, der Extrusionswerkzeuge, Getriebe, Antriebe oder aber z.B. die Kühlluft der Extruderkühlgebläse. Die Nutzbarmachung von Abwärme aus den vorgenannten Quellen ist jedoch schwierig und in den meisten Fällen nicht wirtschaftlich realisierbar. Damit eine Abwärmenutzung realistisch wird, muss die Abwärme zunächst in einen konkreten Volumenstrom überführt werden, der geeignet ist die Wärme einem Folgeprozess zuzuführen (z.B. Ölkreislauf oder Wasser).

Im Falle einer warmen Oberfläche würde dies bedeuten, dass dort ein Wärmetauscher (z.B. ein wasserführendes System) eingesetzt werden muss. Der Einsatz eines Wärmetauschers würde aber zwangsweise dazu führen, dass die Oberfläche nun aktiv gekühlt wird (da ja nun Wärme an das durchströmende Wasser abgegeben wird). Diese aktive Kühlung würde nun die Oberflächentemperatur senken, so dass (z.B. im Falle eines Extrusionswerkzeuges) die dort installierten Heizzonen von den Reglern häufiger eingeschaltet werden. Dadurch würde logischerweise die elektrische Leistungsaufnahme der Heizzonen ansteigen. Der Energieverbrauch würde somit zunehmen! Diese Situation ist natürlich zu vermeiden.

Bessere Möglichkeiten zur Abwärmenutzung existieren dort, wo die Abwärme bereits in einem konkreten Volumenstrom abgegeben wird. Bei der Extrusion sind dies beispielsweise:

• Wasserkühlung von Zylinderzonen oder der Nutbuchse (z.B. Mehrwellenextruder)
• Flüssigkeitskühlung von Antrieben, Getrieben
• Flüssigkeitskühlung von (Druckluft-)Kompressoren
• wassergekühlte Extrusionswerkzeuge
• Kühlwasser zur Produktkühlung (Werkzeugkühlung, Hydraulikkühlung beim Spritzguss)
• Luftinnenkühlung von Rohren, Hohlstäben
• Abwärme aus Blockheizkraftwerken (Kühlkreislauf des Motors, Abgaswärmetauscher)
• etc.

Zu Punkt 2: Temperaturniveau der Abwärme

Das Temperaturniveau der Abwärme ist ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Überprüfung, ob eine Wärmequelle sich zur Abwärmenutzung eignet. Pauschal kann dabei festgehalten werden, dass je höher das Temperaturniveau ist, die Nutzbarkeit der Wärme um so wahrscheinlicher wird. Generell bieten sich verschiedene Möglichkeiten zur Abwärmenutzung in Abhängigkeit des Temperaturniveaus für Extrusionsbetriebe an.

Bei Temperaturen unterhalb von 20°C ist eine Abwärmenutzung nur selten sinnvoll. In diesem Fall sollte darauf geachtet werden, dass möglichst geringe Kosten für die Kühlung der Abwärme anfallen. Dabei sollten Kühlsysteme ohne Kompressoren (Kühltürme, Freikühler) gegenüber den Kompressionskältemaschinen bevorzugt werden, da deren Energiebedarf erheblich geringer ist.

Überschreitet das Temperaturniveau 40°C ist eine sinnvolle Nutzung in Flächenheizungen gewährleistet. Wichtig ist, dass hierbei immer berücksichtigt werden muss, dass eine Abwärmenutzung zu Heizzwecken nur saisonal Energieeinsparungen realisieren kann, da bekanntlich im Sommer weniger geheizt werden muss.

Oberhalb von 55°C können auch Warmlufterzeuger und Radiatorheizsysteme sowie die Brauchwassererwärmung in Betracht gezogen werden.

Zusätzlich wird ab einem Temperaturniveau von etwa 55°C auch die Thematik der Abwärmenutzung zur Granulatvorwärmung interessant, sofern weitere Rahmenbedingungen erfüllt sind.

Ab einem Temperaturniveau oberhalb von 70°C können auch wärmegetriebene Kältemaschinen (Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen) betrieben werden, was jedoch zwingend mit dem Bedarf an Nutzkälte abgeglichen werden muss. Verstromungsprozesse werden erst deutlich oberhalb von 90°C interessant und hier gilt die Regel, je höher das Temperaturniveau desto wirtschaftlicher.

Zu Punkt 3: Die passende Wärmesenke

Das Vorhandensein einer passenden Wärmesenke ist häufig eines der größten Probleme bei der Umsetzung von Abwärmenutzungsprojekten in kunststoffverarbeitenden Betrieben. Meist ist entweder die Menge (thermische Leistung) der zur Verfügung stehenden Abwärmequelle derart gering, dass eine sinnvolle Verwendung nicht wirtschaftlich ist, oder die zur Verfügung stehende thermische (Abwärme-)Leistung ist derart hoch, dass keine passende Wärmesenke gefunden werden kann.

Möglichkeit zur Potenzialabschätzung

Zur Ermittlung, ob eine Abwärmenutzung sinnvoll ist, bietet es sich an das dadurch resultierende Einsparpotenzial zunächst zu überschlagen. Als wichtigster zu bestimmender Wert gilt dabei die thermische Leistung der Abwärmequelle.

Die thermische Leistung wird errechnet aus der spezifischen Wärmekapazität, der Temperaturdifferenz (Delta T) sowie dem Massenstrom (Volumenstrom, Dichte).

Beispiel #1: Kühlwasser aus einem Extrusionsprozess zur Kühlung eines Rohres:

Vorlauftemperatur: 14°C | Rücklauftemperatur: 16°C | Volumenstrom: 7.500l/h

–> Thermische Leistung: ~17,4kW

Beispiel #2: Thermalöl zur Getriebekühlung

Vorlauftemperatur: 75°C | Rücklauftemperatur: 110°C | Volumenstrom: 100kg/h

–> Thermische Leistung: ~0,5kW

Beispiel #3: Luftströmung einer Heiz-Kühl-Kombination

Vorlauftemperatur: 20°C | Rücklauftemperatur: 125°C | Volumenstrom: 10m³/h | Ein-Aus-Betrieb

–> Thermische Leistung: ~0,29kW

Warm ist nicht immer gleichzusetzen mit “energiereich”

Oben gezeigte Beispiele zeigen deutlich, dass nicht nur das Temperaturniveau einer Abwärmequelle als maßgeblich für den Energiegehalt herangezogen werden darf, sondern der Volumenstrom gleicherweise berücksichtigt werden muss. Während die warme Luft die aus einem Gebläse der Extruderkühlung oder das warme Öl einer Getriebekühlung oft als Energiereich wahrgenommen wird, wird die thermische Leistung die im Kühlwasser gebunden ist oft gar nicht realisiert. Aufgrund der hohen Volumenströme ist der Energieinhalt dort jedoch um ein vielfaches höher, ist jedoch aufgrund des geringen Temperaturniveaus schlecht nutzbar.

Ist die thermische Leistung der Abwärme erst einmal bekannt, kann mit einfachen überschlägigen Faustformeln abgeschätzt werden, ob eine Abwärmenutzung sinnvoll sein kann. Dabei wird die thermische Leistung in eine mögliche jährliche Einsparung in Euro umgerechnet, unter der Annahme

• dass die Abwärme mit einem Wirkungsgrad von 75% genutzt werden kann,
• dadurch eine elektrische Energiequelle substituiert werden kann (0,15€/kWh Strompreis) wobei natürlich
• die jährlichen Betriebsstunden berücksichtigt werden müssen.

Für eine Abwärmequelle mit Q=50kW thermischer Leistung bedeutet dies somit:

K = 50kW * 0,15€/kWh * 5.000h/a * 0,75

K = 25.125€/a

Es ergibt sich somit ein jährliches Einsparpotenzial von ca. 25.000€. Folglich darf grob überschlagen die Maßnahme etwa 50.000€ an Investitionskosten benötigen, sofern von einer Amortisationszeit von etwa 2 Jahren ausgegangen werden muss.

In einem nachfolgenden Beitrag werden wir Ihnen die Details zur “Abwärmenutzung zur Granulatvorwärmung” sowie viele interessante Versuchergebnisse zeigen.

In unserem kostenlosen Downloadbereich finden Sie weitere hilfreiche Informationen zum Thema Abwärmenutzung sowie auch ein Excel-Tool zur Berechnung der thermischen Leistung in unterschiedlichen Energieströmen.[:en]

During extrusion, the plastic is heated from the ambient temperature level to an elevated temperature level (usually >180 °C) so that the materials melts and becomes plastically deformable. After forming the product (film, tube, profile, rod, etc.), the product is cooled down to ambient temperature to achieve dimensional stability. Thus, thermal energy is “generated” first, which is “destroyed” again immediately after the forming process step. A use of waste heat is therefore obvious, but how, with what and for what purpose?

The extrusion process uses continuous (very cost-intensive) electrical energy to generate thermal energy in the extruder and in the electrical heaters (energy conversion). One part of this thermal energy is transferred to the environment as “waste heat”, but most of it is “stored” in the extrudate as thermal energy. In the cooling section, this thermal energy is extracted from the extrudate (the product is cooled). The energy is dissipated using classical principles of heat transfer and is transferred to a secondary medium (usually water, air, oil). This cooling medium is fed to a refrigerating machine or a free cooler for recooling, which dissipates this thermal energy to the environment in an electrically driven (cost-intensive) process.

This means that electrical energy is first used to “generate” thermal energy and then to “destroy” the thermal energy contained in the product.

 

The most important prerequisites for waste heat utilisation

In order for waste heat to be used sensibly, certain requirements must be met. The following list shows the requirements that have proven to be useful in plastics processing, even if other criteria certainly apply in other situations.

• The waste heat is bound in a concrete volume flow (e.g. cooling water circuit, oil circuit, air volume flow) and is not present as latent waste heat (e.g. warm surfaces).
• The waste heat has an interesting temperature level (from approx. 50 °C – the higher the better).
• There is a “heat sink” that fits the power requirement of the “heat source”.

 

Regarding point 1: Volume flow rate

It is often desired that latent waste heat is used as a heat source. Latent waste heat is present in extrusion plants in many different places, for example on the warm surfaces of the extruder cylinder, the extrusion tools, gears, drives or, for example, the cooling air of the extruder cooling fans. However, the utilisation of waste heat from the aforementioned sources is difficult and in most cases not economically feasible. To make waste heat utilisation realistic, the waste heat must first be converted into a specific volume flow that is suitable for feeding the heat to a subsequent process (e.g. oil circuit or water).

In case of a warm surface this would mean that a heat exchanger (e.g. a water-bearing system) has to be used. However, the use of a heat exchanger would inevitably lead to the surface being actively cooled (since heat is now released into the water flowing through it). This active cooling would now lower the surface temperature, so that (e.g. in the case of an extrusion tool) the heating zones installed there are switched on more frequently by the controllers. Logically, this would increase the electrical power consumption of the heating zones. Energy consumption would thus increase! This situation must of course be avoided.

Better possibilities for waste heat utilisation exist where the waste heat is already emitted in a specific volume flow. In extrusion, for example:

• Water cooling of cylinder zones or the grooved barrel (e.g. multi-screw extruder)
• Liquid cooling of drives, gears
• Liquid cooling of (compressed air) compressors
• Water-cooled extrusion tools
• Cooling water for product cooling (tool cooling, hydraulic cooling during injection moulding)
• Internal air cooling of tubes, hollow rods
• Waste heat from combined heat and power plants (engine cooling circuit, exhaust heat exchanger)

 

Regarding point 2: Temperature level of waste heat

The temperature level of the waste heat is another important criterion when checking whether a heat source is suitable for waste heat utilisation. In general, it can be stated that the higher the temperature level, the more likely the usability of the heat becomes. In general, there are various possibilities for waste heat usage depending on the temperature level for extrusion companies.

Temperatures below 20 °C, waste heat recovery is rarely advisable. In this case, care should be taken to ensure that the costs for cooling the waste heat are as low as possible. Cooling systems without compressors (cooling towers, free coolers) should be preferred over compression chillers, as their energy consumption is considerably lower.

If the temperature level exceeds 40 °C, sensible use in surface heating systems (floor-heating, wall-heating) is possible. It is important to bear in mind that the use of waste heat for heating purposes can only achieve seasonal energy savings, as we know that less heating is required in summer.

Warm air heaters and radiator heating systems as well as domestic hot water heating can also be considered above 55 °C.

In addition, from a temperature level of around 55 °C, the topic of waste heat utilisation for granulate preheating also becomes interesting, provided other conditions are met.

From a temperature level above 70 °C, heat-driven chillers (absorption and adsorption chillers) can also be operated, which must, however, be matched to the demand for commercial refrigeration. Electricity conversion processes only become interesting above 90 °C and here the rule applies, the higher the temperature level the more economical.

 

Regarding point 3: The suitable heat sink

The existence of a suitable heat sink is often one of the biggest problems in the implementation of waste heat recovery projects in plastics processing companies. In most cases, either the amount (thermal output) of the available waste heat source is so small that a sensible use is not economical, or the available thermal (waste heat) output is so high that no suitable heat sink can be found.

 

Possibility of estimating potential

To determine whether waste heat utilisation makes sense, it is advisable to first estimate the resulting savings potential. The most important value to be determined is the thermal output of the waste heat source.

The thermal output is calculated from the specific heat capacity, the temperature difference (delta T) and the mass flow (volume flow, density).

Example #1: Cooling water from an extrusion process to cool a pipe:

Flow temperature: 14°C | Return flow temperature: 16°C | Flow rate: 7,500l/h

Thermal power: ~17,4kW

 

Example #2: Thermal oil for gearbox cooling

Flow temperature: 75°C | Return flow temperature: 110°C | Flow rate: 100kg/h

Thermal power: ~0,5kW

 

Example #3: Air flow of a heating/cooling combination of an extruder

Flow temperature: 20°C | Return flow temperature: 125°C | Flow rate: 10m³/h | On-Off operation

Thermal power: ~0,29kW

 

Warm

is not always synonymous with “energy-rich”.

The examples above clearly show that not only the temperature level of a waste heat source may be taken into account as decisive for the energy content, but that the volume flow must also be taken into account. While the warm air from an extruder cooling fan or the warm oil from a gearbox cooling system is often perceived as an energy area, the thermal performance bound in the cooling water is often not realized at all. However, due to the high volume flows, the energy content there is many times higher, but due to the low temperature level it is difficult to use.

Once the thermal output of the waste heat is known, simple rough formulas can be used to estimate whether waste heat utilisation can be useful. The thermal output is converted into a possible annual saving in euros under the assumption that

• that the waste heat can be used with an efficiency of 75 %,
• an electrical energy source can be substituted (0,15 €/kWh electricity price) whereby of course
• the annual operating hours must be taken into account.

For a waste heat source with Q=50 kW thermal power this means:

K = 50 kW * 0,15 €/kWh * 5.000 h/a * 0,75

K = 25.125 €/a

This results in an annual savings potential of approx. 25,000€. Consequently, the measure may require a rough estimate of approximately 50,000 € in investment costs, provided that an amortization period of approximately 2 years can be assumed.

If you are interested in further information or if you want to be kept informed about new articles, please register for our newsletter and our free download area.

 

 [:]