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Wärmenetze
(1995)
Wärmenetze sind in das Bestreben, Energie- und Stoffwandlungskaskade optimal miteinander zu verknüpfen, einzuordnen. Sie sind in vielen Fällen die wirtschaftlichste Lösung auf dem Weg zu abprodukt- und abwärmefreien Technologien. Bei der Systemgestaltung muß dabei allerdings der Zusammenhang zwischen den Teilsysteme berücksichtigt werden. Das Entwurfsproblem im engeren Sinne besteht in einer kostenoptimalen Kopplung von abzukühlenden (warmen) und aufzuwärmenden (kalten) Strömen. Die Art der Zielfunktion führt dabei im allgemeinen zu einer maximalen regenerativen Wärmenutzung mit minimaler äußerer Wärmezu- und -abfuhr. Die Grundtendenz des optimalen Entwurfes ist durch die globale Realisierung des Gegenstromprinzipes geprägt. Der in vielen Wärmenetzen auftretende Engpaß durch die geforderten Temperaturen „pinch" begrenzt die regenerative Wärmenutzung und kann durch den Einsatz von Kreisprozessen oder gezielten Änderungen im Stoffwandlungssystem beeinflußt werden. Die Kopplung an das äußere System und dessen Gestaltung bedarf gleichfalls einer Optimierung. Die „grand composite curve" veranschaulicht die dabei anzustrebenden Verhältnisse. Einige Teilprobleme, wie Steuerbarkeit und Flexibilität von Wärmenetzen bedürfen weiterer Untersuchungen. Während für die Optimierung der Regeneration thermodynamische Methoden sehr anschaulich und leistungsfähig sind, scheint hier der Einsatz von wissensbasierten Algorithmen und Strukturparametermethoden aussichtsreich. In diesem Zusammenhang besteht ein Forschungs- und Entwicklungsbedarf besonders in Richtung der Anwendung auf Mehrproduktenanlagen und Batch-Prozesse.
Wärmerohre sind äußerst effiziente passive Wärmeübertragungselemente, die bei kleiner treibender Temperaturdifferenz große Wärmestromdichten transportieren können. Sie haben verschiedenartige Anwendungen gefunden, zum Temperaturausgleich und zum Forttransport der Wärmedissipation in Satelliten, zum Kühlen und Isothermalisieren elektronischer Bauteile und Schaltungen und von elektrischen Komponenten und Geräten, zur isothermen Beheizung oder Kühlung chemischer Reaktoren, zur Realisierung isothermer Hohlräume in der Ofentechnik oder für Strahlungsnormale, u.v.a.m. Neben der Elektronik-Kühlung ist das wichtigste Anwendungsgebiet der Einsatz von Wärmerohr-Wärmetauschern zur Wärmerückgewinnung aus stoffgebundenen Abwärme- Strömen, in erster Linie heißen Gasen, zum Zweck der Heizwärme- oder Prozeßwärmeerzeugung. Die Funktionsweise der wesentlichen Typen von Wärmerohren, Wärmerohr mit Kapillarstruktur und schwerkraftunterstütztes Wärmerohr ohne Kapillarstruktur, wird besprochen. Die Leistungsgrenzen schwerkraftunterstützter Wärmerohre werden dargestellt. Verschiedene technische Anwendungen werden diskutiert. Im Vordergrund steht dabei der Einsatz von Wärmerohren in Wärmerohr-Wärmetauschern zu Abfallenergienutzung.
Wärmetransformation
(1995)
Die Aufwertung von Abwärme durch Wärmetransformation kann sowohl mit Hilfe von Arbeit oder Antriebswärme als auch durch Nutzung eines Teils der Abwärme selbst erfolgen. Zu diesem Zwecke steht eine Vielzahl von industriell erprobten Kreisprozessen zur Verfügung. Mechanisch angetriebene Wärmetransformationsprozesse sind auf Grund des Wirkungsgrades der Elektroenergieerzeugung der Wärmeversorgung durch Wärme-Kraft-Kopplung und durch wärmeangetriebene Transformationsprozesse, meist bereits thermodynamisch unterlegen. Das gilt besonders für den Fall, daß durch den Wärmepumpeneinsatz zusätzlich thermodynamische Verluste bei der Wärmeversorgung vermieden werden können. Trotz dieser prinzipiellen Aspekte ist die Auswahl eines geeigneten Transformationsprozesses maßgeblich von den Betriebsbedingungen der abwärmeerzeugenden Anlage und von der Wärmeverund -entsorgungssituation im Umfeld der Anlage abhängig. Besonders günstige Einsatzbedingungen liegen dann vor, wenn neben der Abwärmenutzung weitere technologische oder umwelttechnische Zielstellungen erfüllt werden können. Wie untersuchte industrielle Beispiele zeigen, ergeben sich auch bei den gegenwärtigen Energiepreisen unter günstigen technologischen Randbedingungen selbst aus ausschließlich energetischen Gründen ökonomisch sinnvolle Einsatzmöglichkeiten für Wärmetransformationsprozesse, d.h. Rückflußdauern von 1-5 Jahren.