Heizverfahren

Brennstoffheizung

Industrieöfen können mit einer Rost- oder Brennerfeuerung ausgerüstet werden. Hochleistungsdampferzeuger und Chemieöfen {Drehrohrofen, Tunnelofen usw.) werden vorwiegend über Brenner mit öl, Gas oder auch mit Kohlenstaub betrieben.

Elektroheizung:
Bei der Überführung der Elektroenergie in Wärme unterscheidet man zwischen Widerstandsheizung, Induktivheizung, dielektrisches Heizen und Lichtbogenheizen. Die Elektroheizungen zeichnen sich durch hohe erzielbare Temperaturen, sauberes Endprodukt, geringe Abbrandverluste, gute Regelbarkeit und hohen Wirkungsgrad aus.

Strahlungsheizung:
Die Infrarotstrahler können elektrisch oder mit Gas beheizt werden. Die in zunehmendem Maße in der Industrie eingesetzten Elektrostrahler unterteilt man in Hell- und Dunkelstrahler. Der Einsatz erfolgt hauptsächlich bei der Trocknung dünner Schichten, z. B. Lackschichten. Die Gasstrahler dienen überwiegend zur Raumheizung.

Dampfbeheizung:
Der in Dampferzeugern gewonnene Dampf wird zur Deckung des Kraft- und Wärmebedarfs eingesetzt. Als stofflicher Energieträger hat sich Heiß-, Satt- und Naßdampf in der Industrie bestens bewährt. Man unterscheidet zwischen direkter und indirekter Dampf -beheizung. Bei einigen Verfahren wird der Dampf unmittelbar im chemischen Prozeß benötigt. Das Hauptanwendungsgebiet liegt in der Nutzung der Kondensationswärme des Dampfes mittels Wärmeübertragers.

Flüssigkeitsumlaufheizung:
Als stoffliche Energieträger zur indirekten Beheizung dienen Flüssigkeiten, die im Kreislauf geführt werden. Nach Abgabe der mitgeführten Wärmemenge strömen sie zur Heizquelle (z. B. Heizkessel) zurück. Am häufigsten verwendet man als Trägerflüssigkeit Wasser, Mineralöle, Diphenylgemische, chloriertes Diphenyl und Silikonverbindungen. Beheizung mit umlaufenden Feststoffen Diese Art des direkten Beheizens fluider Medien mit im Umlauf geführten körnigen Feststoff-Speicherteilchen als stoffliche Energieträger fand erst in den letzten Jahrzehnten Eingang in die Praxis. Die Speicherteilchen (oftmals keramische Kugeln oder Zylinder) werden im Rauchgasstrom stark erhitzt (ca. 1273 K) und geben die aufgenommene Wärmemenge an einen produktionsgebundenen Gas- oder Flüssigkeitsstrom wieder ab. Die dabei erzielbaren Wärme Übergangskoeffizienten sind groß.

Kühlen

In der Verfahrenstechnik sind bei der Stoffwandlung auch die Prozesse zu erfassen, die die erforderlichen Energieströme bereitstellen, z. B. Solekreislauf als Kälteträger. Die physikalische Stoffveränderung tritt besonders bei der Stoffaufbereitung und -nachbereitung auf, wobei die Stoffnachbereitung häufig eine Energieabfuhr (Kühlung) bedingt. Die thermodynamischen Grundlagen für den Abschnitt Kühlen sind aus dem Lehrgebiet » Technische Wärmelehre « bekannt, so daß aufbauend auf diese Kenntnisse auch Apparategruppen zur Durchführung verfahrenstechnischer Prozesse vorgestellt werden können. Die Kältetechnik hat einen hohen Entwicklungsstand erreicht; besonders in den letzten Jahrzehnten wurden international gewaltige Fortschritte erzielt. Die Zeit, als der Einsatz der künstlichen Kälte im wesentlichen auf die Lebensmittelfrischerhaltung beschränkt war, ist vorbei. Die Kältetechnik dringt in immer weitere Bereiche der Produktion ein und ist heute in fast allen Industriezweigen vertreten. In der chemischen Industrie ist die wirtschaftliche Erzeugung synthetischer Rohstoffe, wie Diesel- und Vergaserkraftstoffe und vieler Kunststoffe, nur mit Hilfe der Kältetechnik möglich. Gasgemische lassen sich unter Kälteeinwirkung verflüssigen und durch anschließende Rektifikation trennen. So erfolgt die Herstellung von Edelgasen (Argon, Krypton, Xenon) über die Luftverflüssigung bei Tiefsttemperaturen. Die in der Gummi -und Kunstlederindustrie, in Druckereien und Laekierereien eingesetzten flüchtigen Lösungsmittel können durch Kühlung der Luft auskondensiert und nach Aufbereitung der Produktion wieder zugeführt werden. Bei der Trennung von Flüssigkeitsgemischen nutzt man die in vielen Fällen im Bereich tiefer Temperaturen auftretende Mischungslücke aus. Wäßrige Lösungen können durch Ausfrieren eines Teiles ihres Wassergehaltes aufkonzentriert werden- Bei der Schmierölgewinnung trennt man das Rohöl von dem darin enthaltenen Paraffin, indem man das Öl, welches mit einem Lösungsmittel versetzt ist, auf Temperaturen von 243 K bis 233 K abkühlt. Das Paraffin wird hierbei ausgefällt und kann entfernt werden. Zur Abführung von Reaktions- und Lösungswärmen kann ebenfalls künstliche Kälte eingesetzt werden, zumal dann, wenn beispielsweise unerwünscht hohe Reaktionsgeschwindigkeiten auftreten. Der Prozeß wird in einen Bereich tieferer Temperaturen verlegt. Ein weiteres großes Anwendungsgebiet findet die Kältetechnik bei der Klimatisierung von speziellen Produktionsräumen, Meßwarten und Rechenzentren. Bereits an diesen wenigen Beispielen erkennt man, daß der Einsatz künstlicher Kälte in der chemischen Industrie außerordentlich vielseitig ist.

Kälteerzeugung

Die Kältetechnik hat die Aufgabe, einen Zustand tieferer Temperatur als den der Umgebung herzustellen. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, daß Wärme nicht von selbst von einem Körper tieferer Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen kann. Damit ergibt sich die Notwendigkeit, Energie aufzuwenden, um die Temperatur eines Systems unter die seiner Umgebung abzusenken. Dieser Energieaufwand muß im Interesse der wirtschaftlichkeit möglichst gering sein, zumal in der chemischen Industrie Kälteleistungen in der Größenordnung von mehreren MW keine Seltenheit darstellen.

Kältemischungen und Kühlsolen

Durch Mischen von Salzen mit Wasser, Schnee oder Eis wird Wärme absorbiert. Viele Salze entziehen beim Lösen in Wasser der Umgebung Lösungswärme. Die erzielbaren Temperaturen sind gemischabhängig und liegen zwischen 263 K und 248 K. Bei der Verwendung von Eis statt Wasser ist die Temperaturabsenkung noch größer (bis etwa 223 K), da die negative Lösungswärme der Salze um den Betrag der Schmelzwärme des Eises erhöht wird. Der apparative Aufwand für die Erzeugung von Kälte durch Kältemischungen ist gering, jedoch ist das Verfahren insgesamt umständlich und unwirtschaftlich; der Kältepreis liegt wesentlich höher als bei einer maschinellen Kühlung. Deshalb werden Kältemischungen vorwiegend bei kleinem Kältebedarf eingesetzt, z. B. in Laboratorien. Die für technische Zwecke besonders aufbereiteten Salzlösungen werden als Kühlsolen bezeichnet. Durch Beigabe verschiedener chemischer Substanzen werden weitestgehend Korrosionserscheinungen vermieden, es treten keine Verschlammungen in den Rohrleitungen auf. Die mit diesen Solen erreichbaren Temperaturen liegen bei 223 K bis 218 K. Die spezifische Wärmekapazität von Salzlösungen liegt zwischen 2,72 und 4,2 kJ/(kgK) und nimmt mit steigender Konzentration und sinkender Temperatur ab. Dagegen nimmt die Zähigkeit der Solen mit sinkender Temperatur stark zu. Damit steigen die Druckverluste in den Rohrleitungen, die Wärmeübergangskoeffizienten werden ungünstiger. Die Soletemperatur ist deshalb niemals tiefer als unbedingt erforderlich zu wählen! Bekannte Kühlsolen sind die Lösungen folgender Salze: NaCl, MgCl und Freon

Verdunstungskühlung

Beim Rückkühlen großer Wassermengen in der Industrie wird der aus der Thermodynamik bekannte Verdunstungseffekt - die Verdunstungskühlung - genutzt. Das zu kühlende Fluid wird in Kühltürmen oder in Rieselkühlern feinverteilt und einem im Gegenstrom geleiteten Luftstrom ausgesetzt. Dabei erfolgt ein Wärme- und Stofftransport. Ungesättigte Luft vermag auf Grund des vorliegenden Partialdruckgefälles eine bestimmte Flüssigkeitsmenge in Form von Wasserdampf aufzunehmen. Die dazu erforderliche Verdunstungswärme wird dem Fluid entzogen, und somit sinkt seine Temperatur.

Kühltürme: Die Kühltürme arbeiten im allgemeinen mit einem natürlichen Zug- Das abzukühlende Wasser wird im unteren Turmdrittel von Düsen zerstäubt oder von Überlaufrinnen verteilt und fließt über Rieselschichten abwärts zum Turmsumpf. Die Luft tritt von unten in den Turm ein und strömt dem Wasser entgegen. Kühltürme werden heute für große Wasserdurchsatzleistungen bis maximal 35000 Kubikmeter pro Stunde in Beton ausgeführt. Sie erreichen Höhen bis zu 100 m bei etwa 80 m Durchmesser in Bodennähe. Für kleinere Wasserdurchsätze bis maximal 300 Kubikmeter pro Stunde werden häufig Kühltürme mit Axialgebläse eingesetzt. Ein rotierender Verteilerarm führt das Wasser gleichmäßig über eine Rieselschicht. Der Wasserverlust beim Rückkühlen über Kühltürme infolge Verdunstung und durch das Mitreißen kleinster Wassertröpfchen im Luftstrom beträgt für 10 K Abkühlung etwa 2 %.

Rieselkühler Bei den Rieselkühlern strömt beim Rückkühlen von Wasser die Sole bzw. das Kühlwasser in Rohrschlangen. Damit erfolgt eine indirekte Wärmeübertragung. Das abzukühlende Wasser rieselt aus einer Verteilerrinne gleichmäßig verteilt außen die Rohrwand herab in eine Sammelwanne. Damit steht das Rieselwasser mit der Luft in direkter Wärme- und Stoffübertragung, und der Verdunstungseffekt kann wirksam werden, d. h., die erzielte Verdunstungskühlung unterstützt zusätzlich den indirekten Kühlvorgang. Der Anteil der Verdunstungskühlung kann durch den Einsatz von Ventilatoren noch gesteigert werden. Rieselkühler werden in der Lebensmittelindustrie beispielsweise zum Kühlen von Milch und Bierwürze, in der chemischen Industrie als Säurekühler eingesetzt.

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