Verfahrens- und energietechnische Kompositionsregeln

für den Aufbau aufwandsarmer, insbesondere energieeffizienter verfahrenstechnischer Systeme
1. Auflage 2011
ISBN: 978-3-527-32778-2
Verlag: Wiley VCH Verlag GmbH

Buch, Deutsch, 252 Seiten, Format (B × H): 179 mm x 246 mm, Gewicht: 625 g

Das Buch dient handhabende Systematik zu entwickeln und neue Prozesse durch Verknüpfung der Grundelemente zu konzipieren und somit Energieeinsparung und Ressourcenschonung zu erzielen.

Autoren/Hrsg.

Müller, Herbert

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Verfahrenstechnik | Chemieingenieurwesen | Biotechnologie Verfahrenstechnik, Chemieingenieurwesen
• Technische Wissenschaften Energietechnik | Elektrotechnik Energietechnik & Elektrotechnik
• Technische Wissenschaften Umwelttechnik | Umwelttechnologie Umwelttechnik

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

DAS UMFELD DER AUFSTELLUNG UND NUTZEN VON KOMPOSITIONSREGELN
Kosten und Kostenreduzierung in verfahrenstechnischen Systemen
Strategische Orientierungen und Maßnahmeklassen der Rationalisierung
Funktions- und Prinzipstrukturen

ALLGEMEINE KOMPOSITIONSREGELN
Überblick und Wiederverwertungsregel
Regeln, die sich unmittelbar aus den Rationalisierungs-Maßnahmeklassen ableiten
Regeln, die die Wahl der Arbeits- oder Hilfsstoffe betreffen
Regeln, die die Strukturbildung direkt betreffen
Regeln, die das Zeitverhalten betreffen
Weitere allgemeine Regeln, die sich keiner bisherigen Gruppe zwanglos zuordnen lassen

SPEZIELLE KOMPOSITIONSREGELN FÜR AUSGEWÄHLTE PROZESSE
Überblick
Kreisprozesse
Wärmeübertragung (bzw. Wärmeübertrager)
Verdampfung
Kristallisation
Trocknung
Sorption
Extraktion und Destillation/Rektifikation
Chemische Reaktionstechnik

NUTZUNG DER REGELN FÜR ANLAGENANALYSEN
Beispiel: Perpetuum mobile II. Art

KOMPLEXE BEISPIELE
Offene Kaltluftmaschine
Energetische Verbesserung der Trinkwassergewinnung aus feuchter Luft
Energierückgewinnung aus Trocknerabluft mit Kondensationswärmenutzung
Integrierte thermische Solarenergienutzung
Energieautarke Verarbeitungstechnik in landwirtschaftlichen Kooperativen
Druckzellenmotor
AUSBLICK
ANHANG
Übersicht über die allgemeinen Kompositionsregeln
Verzeichnis der Einzelbeispiele in den Kapiteln 2 bis 4

Vorwort XI
1 Das Umfeld der Aufstellung und Nutzung von Kompositionsregeln 1

1.1 Kosten und Kostenreduzierung in verfahrenstechnischen Systemen 1

1.2 Strategische Orientierungen und Maßnahmeklassen der Rationalisierung 2

1.3 Funktions- und Prinzipstrukturen 6

2 Allgemeine Kompositionsregeln 13

2.1 Überblick und Wiederverwertungsregel 13

2.2 Regeln, die sich unmittelbar aus den Rationalisierungs-Maßnahmeklassen ableiten 15

2.2.1 Anergienutzungsregel 15

2.2.1.1 Beispiel: Wärmepumpeneinsatz (betrifft Nr. 9 und Nr. 11 nach Abb. 1.4) 16

2.2.1.2 Beispiel: Kühlung warmer Stoffe (Nr. S2 nach Abb. 1.4) 18

2.2.2 Intervallteilungsregel 20

2.2.2.1 Beispiele zur Anwendung der Intervallteilungsregel in ihrer direkten Form 22

2.2.2.2 Beispiele zur Anwendung der Intervallteilungsregel in ihrer Umkehrform 33

2.2.2.3 Zusammenfassung 38

2.2.3 Exergiekonzentrierungsregel 38

2.2.3.1 Beispiel: Wärmetrafoeinsatz bei der Klärschlammtrocknung 38

2.2.4 Temperaturwechselungsregel 41

2.2.4.1 Beispiel: Flüssigkeitsunterkühlung in Kälteprozessen 42

2.2.4.2 Beispiel: Regenerative Speisewasservorwärmung im Dampfkraftprozess 43

2.2.5 Beimischregel 44

2.2.5.1 Beispiel: Beimischregelung in der Heizungs- und Feuerungstechnik 44

2.2.5.2 Beispiel: Kondensationswärmerückgewinnung mittels sog. „Dampfpumpe“ 45

2.2.6 Splittungsregel 46

2.2.6.1 Beispiel: Verdichtersatz für Wärmepumpen 47

2.2.6.2 Beispiel: Kapazitätsquantelung bei Pumpensystemen 48

2.2.6.3 Beispiel: Werkhallenbeheizung und Kaltwärmezufuhr von Wärmepumpen 48

2.2.7 Partnerwahlregel 49

2.2.7.1 Beispiel: Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung KWKK 50

2.2.7.2 Beispiel: Wärmerückgewinnung bei thermischen Prozessen mit stückigen Gütern 51

2.2.7.3 Beispiel: Anlagenkomposition nach der Pinch-Point-Methode 53

2.2.7.4 Beispiel: Gekoppelte Kompressions-/Absorptionskühlanlage 56

2.2.7.5 Beispiel: Rückgewinnung mechanischer Energie – Umkehrosmose 56

2.3 Regeln, die die Wahl der Arbeits- oder Hilfsstoffe betreffen 57

2.3.1 Zusatzstoffregel 57

2.3.1.1 Beispiel: Sorptionskreisprozesse 59

2.3.1.2 Beispiel: Platen-Munters-Prinzip 65

2.3.1.3 Beispiel: Führen von Phasenwandlungsprozessen in einem Trägergas zur Potentialverschiebung – Verdunstung 65

2.3.1.4 Beispiel: Klimatisierung und verbesserte Wärmerückgewinnung durch Hinzunahme von Sorbentien 68

2.3.1.5 Beispiel: Cheng- oder STIG-Prozess (Steam Injected Gas Turbine) 70

2.3.1.6 Beispiel: Ausfrieren 71

2.3.1.7 Beispiel: „Schleppmittel“-Rektifikation 72

2.3.1.8 Beispiel: Regenerative Wärmeübertragung 72

2.3.1.9 Zusammenfassende Bemerkung 73

2.3.2 Gleichstoffregel 73

2.3.2.1 Beispiel: WDK-Prozess 73

2.3.2.2 Beispiel: Brüdenverdichtung (andere Bezeichnung: Thermokompression) 74

2.3.2.3 Beispiel: Hochtemperatur-Gasexpansion zur Effektivierung der Wiederverdampfung von verflüssigtem Methan – Fortsetzung des Beispiels in

Abschnitt 2.2.2.2.2 76

2.3.2.4 Beispiel: Ruths-Dampfspeicher 77

2.4 Regeln, die die Strukturbildung direkt betreffen 77

2.4.1 Überlagerungsregel 77

2.4.1.1 Beispiel: Lüftungs- und Heizungsanlagen – vgl. Abb. 2.34 78

2.4.2 Diversifizierungsregel 80

2.4.2.1 Beispiel: Hintereinandergeschaltete Kraftprozesse 80

2.4.3 Stufenbildungsregel 82

2.4.3.1 Beispiel: Mehrstufige Kompressionskälteanlagen 82

2.4.3.2 Beispiel: Arbeitsmittelgemische in der Tieftemperatur-Kältetechnik 83

2.4.3.3 Beispiel: Rektifikation 83

2.4.3.4 Beispiel: Partielle Kaskadenschaltung – Wärmepumpe mit Hilfskreislauf 84

2.4.4 Kompaktierungsregel 85

2.4.4.1 Beispiel: Flexibilisierung des Sorptions-BHKW 85

2.4.4.2 Beispiel: Kombinierte Kompressions-Absorptionswärmepumpe 86

2.4.4.3 Beispiel: Multi-effect- und Multi-lift-Überlagerung – Teil I 87

2.4.5 Substitutions- und Kompensationsregel 92

2.4.5.1 Beispiel: Kreisprozess-Elementar- und -Kombifälle 93

2.4.5.2 Beispiel: Multi-effect- und Multi-lift-Überlagerung – Teil II 93

2.4.5.3 Beispiel: Wärmerückgewinnung bei Druckluft 96

2.4.6 Ortsänderungsregel 97

2.4.6.1 Beispiel: Kalte Fernwärmeversorgung 98

2.5 Regeln, die das Zeitverhalten betreffen 100

2.5.1 Funktionsumkehrregel 100

2.5.1.1 Beispiel: Zeitgleiche Wärme-Kältekopplung (bei Druckluftkühlung, Trocknung, Lebensmittelmärkten) 102

2.5.1.2 Beispiel: Wärmeübertrager als Heizer und Kühler 103

2.5.1.3 Beispiel: Zeitlich alternierende Wärme-Kälte-Kopplung 103

2.5.1.4 Beispiel: Adsorptive Kühlung 105

2.5.1.5 Beispiel: Alternierend Kraft- und Arbeitsmaschine 108

2.5.1.6 Beispiel: Thermodiffusions-Intervalltrocknungsverfahren 108

2.5.1.7 Beispiel: Absorptionskälteanlagen als Wärmetransformator in verfahren-/verarbeitungstechnischen Prozessen 109

2.5.2 Flexibilitätsregel 110

2.5.2.1 Beispiel: Direktantrieb von Arbeitsmaschinen u. ä. 110

2.5.2.2 Beispiel: Zusatzfeuerung beim GuD-Prozess 111

2.5.2.3 Beispiel: Großkälteanlage zum Heizen und Kühlen in Helsinki/Finnland 111

2.5.2.4 Beispiel: Bypassverwendung 112

2.5.2.5 Beispiel: Flexible Raumklimatisierung bei Wärme-Kälte-Kopplung 114

2.5.3 Ausgleichungsregel 115

2.5.3.1 Beispiel: Netzarten 115

2.5.3.2 Beispiel: Energiespeicherung 119

2.5.3.3 Beispiel: „Multifunktionales“ Fernwärmenetz 124

2.6 Weitere allgemeine Regeln, die sich keiner bisherigen Gruppe zwanglos zuordnen lassen 125

2.6.1 Zeit-und-Ort-Regel 125

2.6.1.1 Beispiel: Thermowechselspeicher 126

2.6.1.2 Beispiel: Mehrkolbenverbundtechnik 128

2.6.2 Ausgewogenheitsregel 129

2.6.2.1 Beispiel: Funktionsdifferenzierte Dieselmotorenanlage – der „Isomotor“ 130

2.6.2.2 Beispiel: Funktionsintegrierte Bauelemente 131

2.6.3 Von-Selbst-Regel 132

2.6.3.1 Beispiel: Passive Kühlung durch Nachtlüftung 135

2.6.3.2 Beispiel: Schwerkraftbedingte Von-Selbst-Lösungen 136

2.6.3.3 Beispiel: „Von-Selbst“-Drucklufttrocknung 138

2.6.4 Öffnungsregel 139

2.6.4.1 Beispiel: Geschlossene und offene Heizungssysteme 140

2.6.4.2 Beispiel: Hochtemperaturbrennwertnutzung 141

2.6.4.3 Beispiel: Offene Geschlossenheit 144

2.6.4.4 Beispiel: Gasturbine – Schließen bisher offener Systeme 145

2.6.5 WEPOL-Regel 146

2.6.5.1 Beispiel: Katalyse 148

2.6.5.2 Beispiel: Schutzgasmoduliertes Schweißen 148

2.6.6 Prioritätsregel 150

2.6.6.1 Beispiel: Integrierte Energieversorgung eines Krankenhauskomplexes 150

3 Spezielle Kompositionsregeln für ausgewählte Prozesse 153

3.1 Überblick 153

3.2 Kreisprozesse 155

3.3 Wärmeübertragung (bzw. Wärmeübertrager) 157

3.3.1 Beispiel zu Regel WÜ 11: Wärmerückgewinnung aus Schlachtbetrieb-Abwasser 160

3.4 Verdampfung 161

3.4.1 Beispiel: Wasserentsalzung 167

3.5 Kristallisation 168

3.6 Trocknung 170

3.6.1 Beispiel zu den TR-Regeln: Trocknung eines organischen Breis zu Pulver 173

3.7 Sorption 175

3.8 Extraktion und Destillation/Rektifikation 180

3.9 Chemische Reaktionstechnik 182

3.9.1 Beispiel: Verknüpfung exo- und endothermer Reaktionen 184

4 Nutzung der Regeln für Anlagenanalysen 187

4.1 Beispiel: Perpetuum mobile II. Art 188

5 Komplexe Beispiele 191

5.1 Offene Kaltluftmaschine 191

5.2 Energetische Verbesserung der Trinkwassergewinnung aus feuchter Luft 193

5.3 Energierückgewinnung aus Trocknerabluft mit Kondensationswärmenutzung 195

5.4 Integrierte thermische Solarenergienutzung 201

5.5 Energieautarke Verarbeitungstechnik in landwirtschaftlichen Kooperativen 208

5.5.1 Kooperativen auf einer energetischen Basis ohne Biobrennstoffe 208

5.5.2 Kooperativen auf einer energetischen Basis mit Biobrennstoffen 213

5.6 Druckzellenmotor 216

6 Ausblick 221

Literaturverzeichnis 223

Anhang 1: Übersicht über die allgemeinen Kompositionsregeln 231

Anhang 2: Verzeichnis der Einzelbeispiele in den Kapiteln 2 bis 4 237

Stichwortverzeichnis 241

Über Autor(innen)

Müller, Herbert
Prof. Herbert Müller ist Chemieingenieur und Dipl.-Ing. für Wärmetechnik. Nach einigen Jahren in der chemischen Industrie und Energieversorgung war er zweieinhalb Jahrzehnte (bis 2006) der verantwortliche Hochschullehrer für Thermodynamik und thermische Verfahrenstechnik an der HS Wismar im o.g. Bereich und ist seitdem noch nebenamtlich in energie- und verfahrenstechnischen Spezialkursen tätig. Forschungsschwerpunkte waren (und sind noch) Kreativitäts- und Innovationsmethodik sowie Rationelle Energieverschwendung. Auf diesen Gebieten wurden insgesamt etwa 250 schriftliche Veröffentlichungen (Bücher/Broschüren, Beiträge in Zeitschriften und Tagungssammelbänden) getätigt.

Professor Herbert Müller ist Chemieingenieur und Diplom-Ingenieur für Wärmetechnik. Nach mehreren Jahren in der chemischen Industrie und Energieversorgung war er zweieinhalb Jahrzehnte, bis 2006, der verantwortliche Hochschullehrer für Thermodynamik und thermische Verfahrenstechnik an der Hochschule Wismar und ist bis heute noch nebenamtlich in energie- und verfahrenstechnischen Spezialkursen tätig. Forschungsschwerpunkt war und ist Rationelle Energieverwendung unter Nutzung der Kreativitäts- und Innovationsmethodik. Auf diesen Gebieten hat Herbert Müller etwa 250 Publikationen veröffentlicht.