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Energieeffizienz Intelligente Nutzung von Abgaswärme

| Autor / Redakteur: Jens Funke / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

In Glühanlagen für Bandstahlcoils entstehen sehr hohe Temperaturen. Doch die Abgase lassen sich gereinigt zur Wärmerückgewinnung nutzen. Bei der Investition eines Bandstahl-unternehmens in eine Wasserstoff-Haubenglühanlage wollte man auch die Energieeffizienz in der Fertigung steigern. Eine entscheidende Rolle spielten dabei hitzebeständige Sensoren.

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Bild 1: Die sehr warmen Abgase der Wasserstoff-Haubenglühanlage werden durch einen Wärmetauscher geleitet, um die Heizungsanlage des Unternehmens zu unterstützen.
Bild 1: Die sehr warmen Abgase der Wasserstoff-Haubenglühanlage werden durch einen Wärmetauscher geleitet, um die Heizungsanlage des Unternehmens zu unterstützen.
(Bild: IPF Electronic)

Marcel Brücher, Betriebselektriker beim Unternehmen Bandstahl Schulte, bei dem diese Idee verwirklicht wurde, ist stolz auf die neue Anlage (Bild 1): „Der geringe Gasverbrauch sowie der im Vergleich zur Altanlage schnellere Glühprozess in Verbindung mit Wasserstoff als Brennmittel machen unsere neue Anlage sehr effizient, sparsam und außerdem umweltfreundlich. Um die Abgase nicht ungenutzt nach außen zu leiten und damit keine Energie zu verschwenden, entstand die Idee, die sehr warmen Abgase der Glühe durch einen Wärmetauscher zu führen, um unsere Heizungsanlage mit circa 1 MW Leistung zu unterstützen.“

Keine Beeinflussung des Glühprozesses

Zur Realisierung des Projektes wurde unter anderem die komplette Verrohrung der Glühanlage angepasst. Unmittelbar hinter der sogenannten Haubenglühe befindet sich nun der Wärmetauscher, wobei das ursprüngliche Abgasrohr als Bypass dient. Neben der bereits bestehenden Frischluftansaugung und dem Hallenauslass wurde ein Außenauslass mit einem Ventilator installiert, der bei Bedarf reguliert werden kann (Bild 2).

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Eine besondere Herausforderung bestand darin, mit dem geplanten System zur Wärmerückgewinnung keinesfalls die Prozesse in der Glühanlage zu beeinflussen. „Unbedingt zu vermeiden war vor allem ein Überdruck in der Heizkammer der Glühe, da ein einwandfreier Glühprozess nur bei einem permanenten Druck von -0,2 bis 0,6 bar möglich ist“, betont der Betriebselektriker.

Extrem temperaturbeständiger Drucksensor gesucht

Um solche und weitere besondere Anforderungen des Projekts zu meistern, sollten Messwerte erfasst werden, sowohl vor und während der Inbetriebnahme als auch zur Überwachung und Steuerung des Gesamtsystems im späteren Betrieb. Ein Problem bereiteten in diesem Zusammenhang vor allem die hohen Temperaturen der Abgase. „Wir benötigten daher unter anderem einen Drucksensor für die Überwachung des Unterdrucks im Rohrsystem direkt hinter dem Wärmetauscher, der möglichst hohen Temperaturen standhielt. Eine solche Lösung fanden wir nach intensiver Recherche bei IPF Electronic in Form eines Systems aus Drucksensor und Flanschdruckmittler“, berichtet Brücher.

Wirksame Entkopplung über Druckmittler

Während sich der Drucksensor für Umgebungstemperaturen bis 80 °C eignet, ist das Gesamtsystem aus Auswertegerät und Druckmittler (DW98C986) (Bild 3) für Temperaturen bis 200 °C ausgelegt. Der Druckmittler verhindert, dass die hohen Abgastemperaturen im Rohr den Sensor beschädigen oder zerstören. Dazu wird der Prozessdruck der Abgase über eine Membran im Flansch auf eine Flüssigkeit übertragen, in diesem Fall Silikonöl, das über eine Leitung das Messelement des Drucksensors anspricht. Der Druckmittlerflansch wurde unmittelbar hinter dem Wärmetauscher in das Rohrsystem integriert und ist über eine rund 5 m lange Leitung mit dem Drucksensor verbunden, der sich außerhalb des temperaturkritischen Bereichs befindet.

Signal zur Steuerung von Ventilator und Klappen

Der Drucksensor hat einen Messbereich von -1 bis 10 bar und zwei Ausgänge, einen reinen Schaltausgang und einen weiteren, frei programmierbaren Ausgang, sodass die Wahl zwischen Analog- (4 bis 20 mA) sowie Schalt- und Alarmausgang besteht (Bild 4). „Wir werden das analoge Ausgangssignal dazu nutzen, über die SPS der Anlage die Geschwindigkeit des Ventilators am Außenauslass sowie die Positionen der Klappen im Rohrsystem zu regeln. Den Schaltausgang verwenden wir optional, um zum Beispiel den Ventilator ab einem gewissen Unterdruck abzuschalten“, erklärt Brücher.

Mehr Möglichkeiten durch optische Schnittstelle

Einen besonderen Vorteil bietet nach Meinung des Betriebselektrikers die zusätzliche optische Schnittstelle des Drucksensors, weil man diese für den Anschluss eines Notebooks verwenden könne, um alle Parameter einzustellen, zu verändern und zu kontrollieren. „Die grafische Oberfläche der zugehörigen Software ist leicht zu bedienen und selbst Druckspitzen ab 2 ms werden zuverlässig aufgezeichnet und dargestellt“, betont Brücher. Außerdem bestehe die Möglichkeit, die Messwerte in eine Excel-kompatible CSV-Datei zu schreiben, um Auswertungen oder Langzeitmessungen durchzuführen. „Somit sind wir in der Lage, zu jeder Zeit die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems zu überprüfen, und können bei Bedarf Maßnahmen für eine Effizienzsteigerung ergreifen. Da wir mit unserer neuen Wärmerückgewinnungsanlage derzeit noch Erfahrungen sammeln, ist diese Funktion für uns immens wichtig.“

Temperaturwerte übersichtlich ermitteln

Die Temperaturobergrenze des Druckmittlers von 200 °C muss permanent kontrolliert werden, um bei Bedarf die Regelung von Frischluftzufuhr zu steuern oder die entsprechende Klappe des Rohrsystems komplett schließen oder öffnen zu können. Diese Kontrolle übernimmt eine Kombination aus Temperaturanzeige und PT100-Fühler (Bild 5), ebenfalls von IPF Electronic, wobei man den Messfühler direkt neben dem Druckmittler installierte (Bild 6).

Brücher präzisiert: „Im gesamten Rohrsystem setzen wir insgesamt vier Anzeigegeräte inklusive Messfühler ein. Zwei Messfühler befinden sich im Abgassystem, zum einen zur Temperaturkontrolle des DW98C986 und zum anderen zur Überwachung des Ventilators, der einer Luftstromtemperatur von höchstens 250 °C ausgesetzt werden darf. Zwei weitere Messfühler dienen zur Kontrolle der Vor- und Rücklauftemperatur des Wärmetauschers.“

Alle Fühler sind über Sensor/Aktor-Leitungen mit den Temperaturanzeigen verbunden, sodass diese Geräte, die einer Umgebungstemperatur von maximal 80° C standhalten, ebenfalls außerhalb der Zonen mit sehr hohen Temperaturen installiert werden konnten. Sie sind alle zudem an einer Stelle montiert, damit die Werte der Anlage übersichtlich erfasst werden können (Bild 7).

„Aufgrund des identischen Gehäuses funktioniert die bereits im Zusammenhang mit dem Drucksensor erwähnte optische Schnittstelle auch mit diesen Temperaturanzeigen. Somit können wir nicht nur den Druck, sondern auch die Temperaturen im Rohrsystem aufzeichnen. Damit war es uns möglich, auch diverse Zyklen vor Inbetriebnahme des Systems zur Auswertung mitzuschreiben“, so Brücher. Sollte außerdem einmal ein Gerät ausgetauscht werden müssen, kann die zuvor auf einem Laptop abgespeicherte Parametrierung ohne großen Aufwand und Zeitverlust über die optische Schnittstelle auf das neue Gerät übertragen werden.

Wenig Energieeinsatz bei hoher Wärmeentnahme

Die warmen und durch mehrmalige Verbrennungsprozesse gereinigten Abgase der alten Glühe wurden ohne weitere Nutzung direkt zum Frischluftauslass geführt. Mit der neuen Wasserstoff-Haubenglühanlage (Bild 1) nutzt Bandstahl Schulte nun die entstehende Abgaswärme sehr effizient. „Zwar stehen noch keine genaueren Daten über mögliche Ersparnisse zur Verfügung, doch nach einer ersten Testphase zeigt sich, dass wir mit wenig Energieeinsatz den Abgasen sehr viel Wärme entnehmen können und sich das Projekt somit schnell refinanzieren dürfte.“

Die Sensoren und Anzeigegeräte von IPF Electronic sind in diesem Zusammenhang ein entscheidender Bestandteil der Anlage. Nicht nur, weil sie wichtige Messwerte für die Inbetriebnahme des Wärmerückgewinnungssystems lieferten. „Die permanente Überwachung der Abgastemperatur verhindert, dass mechanische Bauteile zerstört werden. Zusätzlich kontrolliert der DW98C986 den Gesamtdruck des Systems, sodass wir zusammengenommen über sehr zuverlässige Sensorlösungen zur Kontrolle und Steuerung der Anlage verfügen“, so das Fazit von Marcel Brücher. MM

* Jens Funke ist Produktspezialist bei der IPF Electronic GmbH in 58515 Lüdenscheid, Tel. (0 23 51) 93 65-67, j.funke@ipf.de

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