DISTRIGAS GAS SERVICES. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 1

Transcriptie

1 Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen DISTRIGAS GAS SERVICES Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 1

2 Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 2

3 INHOUD Voorwoord 1 Enkele algemene begrippen over de verbranding 2 DEEL 1 GECENTRALISEERDE WARMTEPRODUCTIE 4 1. Principe 4 2. De warmtevoerende fluïda 5 3. De stoomketel 8 4. Het stoomdistributienet De rendementen Recuperatie van de warmte van de rookgassen 18 DEEL 2 GEDECENTRALISEERDE WARMTEPRODUCTIE Principe Gedecentraliseerde stoomproductie Het drogen Verwarming van vloeistoffen in baden Rechtstreekse verwarming van grote ruimten 32 Besluit 41 Geheugensteuntje 42

4

5 Voorwoord Alle industriële sectoren verbruiken warmte op lage temperatuur (< 200 C). De warmte is bestemd voor de verwarming van administratieve gebouwen en werkplaatsen of voor processtoepassingen zoals het drogen, de verwarming van vloeistoffen, enz. Deze behoeften aan warmte zijn verspreid over het gehele bedrijf, maar de warmteproductie is traditioneel geconcentreerd in een stookcentrale. Vanuit deze centrale doorkruist een met warmte geladen fluïdum een distributienet dat soms veel vertakkingen heeft. Aardgas is een gemakkelijk te verdelen brandstof en de centrale warmteproductie kan dus vervangen worden door decentrale productie op de plaats van de toepassing. Bij decentrale productie verdwijnen de distributieverliezen en een warmtevoerend fluïdum wordt soms overbodig. Deze brochure geeft de verschillen tussen deze twee concepten aan. Een centrale stoomproductie voor verspreide toepassingen leidt tot meerdere warmteverliezen, zoals: verliezen op het distributienet, thermische verliezen, lekverliezen. verliezen bij de productie, die te wijten zijn aan het feit dat de centrale productie moet bemeten zijn om de maximale vraag te kunnen dekken. Deze maximale vraag doet zich niet vaak voor en de centrale werkt dus dikwijls onder haar capaciteit. Daardoor ontstaat een groot verschil tussen het verbrandingsrendement van de ketels enerzijds en het totale rendement van de stoomproductie anderzijds. Niet alle centrale systemen kunnen vervangen worden door decentrale warmteproductie. Elk geval vraagt een studie. Dit is de taak die Distrigas Gas Services op zich heeft genomen. Zij kan dergelijke studies verrichten op basis van metingen in situ, teneinde de industriëlen te adviseren over de mogelijkheden om energie te besparen door toepassing van specifieke aardgastechnieken. De idee van Rationeel Energie Gebruik (REG) wordt hierbij in de praktijk omgezet. Het gebruik van extra zware stookolie als basisbrandstof, vóór de opkomst van het aardgas, gaf aanleiding tot het concept van gecentraliseerde warmteproductie. De problemen van opslag, toevoer en voorverwarming van de brandstof waren anders niet oplosbaar. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 1

6 Enkele algemene begrippen over de verbranding Calorisch vermogen Luchtovermaat (n-1) - Luchtfactor (n) Dit is de hoeveelheid warmte die vrijkomt bij de volledige verbranding van een volume-eenheid brandstof. Bij de verbranding wordt waterdamp gevormd en deze bevat een belangrijke hoeveelheid warmte, die vrijkomt bij condensatie. Het calorisch vermogen wordt onderwaarde genoemd (Hi) wanneer deze waterdamp in dampvorm blijft en met de rookgassen afgevoerd wordt. Het calorisch vermogen wordt bovenwaarde genoemd (Hs) wanneer de waterdamp condenseert tot water en de condenswarmte niet afgevoerd wordt. Voor de aardgassen heeft men gemiddeld: Hi = ~ 0,903 Hs (indicatieve waarde). Omdat de menging van brandstof en lucht nooit perfect is, moet er om onverbrande brandstofdeeltjes in de rookgassen te vermijden, meer lucht aangeboden worden dan de theoretische verbrandingslucht. Deze extra lucht noemt men de luchtovermaat. Om de luchtovermaat cijfermatig uit te drukken gebruiken we de verhouding Luchtfactor n = De luchtovermaat = n-1 gebruikte lucht theoretisch nodige lucht Theoretische verbrandingslucht Dauwpunt Is de minimale hoeveelheid lucht die nodig is voor de volledige verbranding (zonder luchtovermaat) van een eenheid brandstof. De theoretische verbranding vereist ± 0,95 m 3 lucht en produceert ± 1,05 m 3 rookgassen per 1 kwh (Hi), ongeacht de aard van de koolwaterstof-brandstof. Temperatuur waarop de waterdamp in de rookgassen begint te condenseren. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 2

7 Karakteristieken van de brandstoffen L-gas H gas H gas gasolie zware stookolie s Gravenvoeren Zeebrugge (1% S) (m 3 ) (m 3 ) (m 3 ) (l) (kg) Dichtheid t.o.v. lucht 0,644 0,631 0,621 Soortelijk gewicht (kg/dm 3 ) 0,83 0,97 Calorische onderwaarde (kwh/...) Hi 9,372 10,380 10,707 9,9 kwh/l 11,1 kwh/kg Calorische bovenwaarde (kwh/...) Hs 10,368 11,482 11,847 Stœchiometrische verbranding Theoretisch nodige lucht (m 3 /...) 9,07 10,04 10,35 9,5 10,5 Gevormde rookgassen (m 3 /...) 10,04 11,02 11,34 10,1 11,2 CO2 gehalte in droog rookgas (%) 11,9 12,0 12,0 15,3 16,4 H2O in rookgas (kg/...) 1,57 1,77 1,77 1,02 0,88 Dauwpunt ( C) n = 1,0 59,0 59,0 59,0 n = 1,1 57,2 57,3 57,4 N.B: gemiddelde waarden van aardgas. m 3 genomen in normale omstandigheden (0 C en 1013 mbar). theoretisch nodige lucht met 50 % relatieve vochtigheid en op 20 C Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 3

8 DEEL 1 Gecentraliseerde warmteproductie in het ketelhuis 1. Principe De algemene principes van een gecentraliseerde warmteproductie bestaan uit: verwarming van een thermisch fluïdum (stoom, oververhit water, thermische olie) op de gewenste temperatuur in het ketelhuis, transport van het warmtevoerend fluïdum via een distributienet naar de toepassingen, door warmtewisseling, de warmte overdragen aan de toepassing, het gedeeltelijk of volledig terugvoeren van het fluïdum naar de stookplaats. Fig. 1: Gecentraliseerde warmteproductie Rookgassen Distributie Toepassing Ketel Q Qg Qg = Brandstofwarmte Q = Nuttige warmte Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 4

9 2. De warmtevoerende fluïda 2.1. Water en thermische olie Water is geschikt voor lage temperatuurtoepassingen (< 100 C), dus vooral voor centrale verwarming, maar door het op een overdruk van 10 bar te brengen, kan men temperaturen tot 180 C bereiken en het toepassen in industriële processen Thermodynamische eigenschappen van verzadigde stoom Druk en temperatuur van verzadigde stoom zijn aan elkaar gebonden. De temperatuur kan dus geregeld worden door eenvoudige inwerking op de druk Thermische olie laat hogere temperaturen toe ( C), op een lage distributiedruk (2 bar) Stoom Verzadigde of oververhitte stoom? De warmteuitwisselingscoëfficiënt van verzadigde condenserende stoom is zeer groot (10 à 100 kw/m 2 C). Bij droge oververhitte stoom is deze aanzienlijk lager en voor water en olie nog veel lager. De beste warmteoverdracht gebeurt dus door verzadigde stoom. Bovendien gebeurt de warmteuitwisseling van verzadigde condenserende stoom bij een constante temperatuur, wat interessant is voor de beheersing van industriële processen. De energie of enthalpie die deze stoom bevat, bestaat uit twee delen: de voelbare warmte om water op kooktemperatuur te brengen: 1,163 kwh/t C x verzadigingstemperatuur de verdampingswarmte om, bij constante temperatuur, van de vloeistoffase naar de verzadigde stoomfase over te gaan (latente warmte). Deze twee eigenschappen alleen al rechtvaardigen het gebruik van verzadigde stoom als warmtevector voor de opwarming van industriële processen. De oververhitte stoom is geschikt voor stoomturbines. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 5

10 Thermodynamische eigenschappen van verzadigde stoom Absolute druk Verzadigings- Voelbare warmte Verdampings- Totale warmte temperatuur (vloeistoffase) warmte verzadigde stoom (bar) ( C) (kwh/t) (kwh/t) (kwh/t) 1, , ,0 120, ,0 151, ,0 179, ,0 198, ,0 212, ,0 223, ,0 233, Men stelt vast dat: de temperatuur van de verzadigde stoom toeneemt naarmate de druk stijgt, de totale warmte van de stoom weinig verandert in functie van zijn temperatuur (en dus van de druk), de verdampingswarmte daalt naarmate de voelbare warmte stijgt Stoomontspanning Door ontspanning van de verzadigde stoom doorheen een drukregelaar wordt zijn temperatuur lager. De regeling van de temperatuur door ontspanning kost energetisch niets en na ontspanning is de stoom lichtjes oververhit. Daar enkel de verdampingswarmte aan de toepassing wordt afgestaan wanneer de stoom condenseert, moet men dus werken op de laagst mogelijke temperatuur bruikbaar voor de toepassing, want dan zijn de verliezen kleiner (naverdamping en distributieverliezen - zie verder). Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 6

11 Naverdampingsstoom Door ontspanning van condensaat, doorheen een condenspot na de toepassing, ontstaat er een afkoeling van de vloeibare fase en tegelijkertijd naverdampingsstoom. Nemen we een eenvoudig voorbeeld: de voelbare warmte van het condensaat bij 10 bar abs. en bij 180 C, bedraagt 212 kwh/t, in de condenspot wordt de druk van het condensaat verlaagd tot 1,22 bar absoluut. De vloeibare fase koelt af tot 105 C en tegelijkertijd komt er naverdampingsstoom vrij op 105 C, de voelbare warmte van het condensaat na de condenspot bedraagt 122 kwh/t, het verschil in voelbare warmte voor en na condenspot, dat 90 kwh/t bedraagt, wordt omgezet in naverdampingsstoom; in dit voorbeeld zal 14,4% van het condensaat terug stoom worden (90/624), Figuur 2 geeft schematisch de vorming weer van naverdampingsstoom bij ontspanning van een condensaat op 10 bar abs. en een op 5 bar abs. Fig. 2: Condensaat naverdampingsstoom 180 C 105 C 212 kwh/t 105 C 90 kwh/t 122 kwh/t 152 C 105 C Naverdampingsstoom Naverdampingsstoom m 105 C 178 kwh/t 56 kwh/t 122 kwh/t 10 bar p atm +0,2 bar 5 bar p atm +0,2 bar 1,00 0,95 Tf = 150 C Stoom en rechtstreekse Tf = 200 C aardgastoepassingen 7 Tf = 250 C

12 3. De stoomketel De voornaamste karakteristieke grootheden van stoomketels zijn: het vermogen: uitgedrukt in ton stoom per uur (t/h) of in verwarmingsoppervlak (m 2 ). Om 1 t/h stoom te produceren, is ongeveer 30 m 2 verwarmingsoppervlak vereist en een nuttig ketelvermogen van 0,65 MW. Het specifieke aardgasverbruik hiervoor bedraagt bij benadering 0,84 MWh/t stoom (Hs) of 3 GJ/t stoom (Hs). de toelaatbare druk: hoogst toelaatbare bedrijfsdruk van de stoom. De stoomketels worden ingedeeld in twee categorieën: Vlampijpketels waarbij de rookgassen circuleren in pijpen (buizen), ondergedompeld in water. Hun vermogen kan 1,5 t/h tot 25 t/h stoom bereiken. Fig. 3: Vlampijpketel Rookgassen Voedingswater Stoom Brandstof Spui Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 8

13 Fig. 4: Stoomgenerator Waterpijpketels waarbij de rookgassen de pijpen waarin het water circuleert, omringen. Zij bestaan zowel in grote vermogens (20 tot 150 t/h stoom) als in kleine vermogens (0,1 tot 10 t/h stoom). In dit laatste geval worden zij stoomgeneratoren genoemd. Water Vlampijpketels hebben een grote waterinhoud, wat ze omvangrijk maakt, met als gevolg een grotere reactietijd, maar ze zijn goed geschikt om hoge stoompieken te leveren. Lucht Stoom Aardgas Stoomgeneratoren hebben een kleine waterinhoud, zijn daarom veel compacter en bezitten minder warmteinertie. Zij kunnen dus vlugger op een verandering van de vraag reageren. De warmteuitwisseling gebeurt hier volgens het tegenstroomprincipe wat het rendement ten goede komt. Het gebruik in parallel van stoomketels en stoomgeneratoren in eenzelfde stoomdistri butienet wordt sterk afgeraden. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 9

14 4. Het stoomdistributienet Een typisch schema van een stoomnet ziet er als volgt uit: stoomtoepassingen: met of zonder condensaatterugvoer, een waterbehandelingsinstallatie op het suppletiewater, bestemd om de minerale zouten die ketelsteen veroorzaken, te verwijderen; het suppletiewater dient om de wateren stoomverliezen te compenseren (verlies via stoompluim, niet teruggevoerde condensaten, ketelspui, lekken), een waterverzameltank die alle gerecupereerde condensaten en het suppletiewater opvangt. Zijn temperatuur is best lager dan 90 C om vervolgens een goede ontgassing toe te laten, een ontgasser die de opgeloste gassen C02 en 02, uit het voedingswater moet verwijderen om corrosie te voorkomen. Deze ontgassing gebeurt gewoonlijk op 105 C d.m.v. stoominjectie bij een lichte overdruk van 0,2 bar. Fig. 5: Typeschema van een stoomnet Ketelhuis Stoompluim (o.a. naverdampingsstoom) Qg CO2 + O2 Spui Ontgasser Voedingswater Voedingstank Suppletiewater Condensaten + naverdampingsstoom Toepassingen met terugvoer condensaten Toepassingen zonder terugvoer condensaten Aanvullende waterbehandeling Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 10

15 5. De rendementen Een gecentraliseerd systeem bestaat uit drie onderscheiden gedeelten: stoomproductie in het ketelhuis, de stoomdistributie en de toepassingen. Zij hebben elk hun eigen rendement. Fig. 6: Het totaal rendement bij centrale stoomproductie Ketelhuis Distributie Toepassing Q 1 Q 2 Q Qg Q 1 c = Qg Q 2 d = Q1 Q u = Q2 Totaal rendement =.. c d Q u = Q g Het totale rendement bij centrale stoomproductie bedraagt: = warmte opgenomen door de toepassing = Q brandstofwarmte Qg Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 11

16 5.1. Rendement van de stoomproductie in het ketelhuis c = nettowarmte uitgang ketelhuis = Q1 brandstofwarmte Q g Samenstelling en werking van een ketelhuis In een ketelhuis staan meestal meerdere ketels. Een of soms twee worden als basis gebruikt, de andere in stand-by (warm en onder druk), klaar om bij te springen bij grote belastingen of bij uitvallen van een basisketel. De stand-by ketels verbruiken aardgas om hun eigen stilstandverliezen te compenseren. Eventueel kunnen in een ketelhuis ook reserveketels staan die niet warm gehouden worden en dus ook geen aardgas verbruiken. Om het rendement van de stoomproductie in het ketelhuis te bepalen, zijn meerdere metingen noodzakelijk zoals: brandstof toevoer, debiet en temperatuur inkomende vloeistof stromen, debiet en temperatuur uitgaande stoom, stoom verbruik ontgasser... Deze metingen moeten over een voldoende lange periode plaatsvinden om de invloed te kennen van defecten, nacht en weekend, alsook van wisselende dagelijkse belasting Het verbrandingsrendement van een ketel Bij volledige verbranding is het voornaamste energieverlies de warmteinhoud van de rookgassen en dit bedraagt ongeveer 10%. De rookgasverliezen Qf zijn afhankelijk van het type brandstof, van het temperatuurverschil tussen de rookgassen Tf en verbrandingslucht Ta en van de luchtovermaat (bepaald via de O2 in de droge rookgassen). De rookgasverliezen in verhouding tot de brandstofwarmte bedragen bij benadering: Qf 68 = + 0,87 Tf - Ta Qg 21 - % O2 droog 100 Het verbrandingsrendement is: f = Q f Qg Distrigas Gas Services is uitgerust om dergelijke metingen uit te voeren en het rendement van de stoomproductie over een lange periode te bepalen. Verschillen van meer dan 10% tussen verbrandingsrendement van een ketel en het totaal rendement van de stoomproductie komen veelvuldig voor. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 12

17 Hoe dit rendement verbeteren? Een volledige verbranding realiseren. Onvoldoende verbrandingslucht (n < 1), alsook een onvoldoende vermenging van aardgas en lucht veroorzaken onvolledige verbranding, met onverbrande gassen onder vorm van CO en H2, die hun verbrandingswarmte ongebruikt meenemen naar de schoorsteen. De luchtovermaat verminderen. Men dient ervoor te zorgen dat de restzuurstof zo klein mogelijk blijft en onverbrande gassen steeds vermeden worden. In de praktijk vereist de volledige verbranding steeds een kleine luchtovermaat omdat de menging lucht - brandstof nooit perfect is. De grootte van deze luchtovermaat hangt af van de kwaliteit van de brander. Een te grote luchtovermaat geeft weliswaar een volledige verbranding, maar ook een te groot volume rookgassen die nutteloos warmte meevoeren naar de schoorsteen. De controle op luchtovermaat kan continu geschieden door meting van het 02 gehalte in de rookgassen met automatische correctie van de verhouding lucht/gas (b.v. zuurstofsonde). Verlaging van het 02 gehalte in de rookgassen met 1%, geeft een rendementswinst van een half punt. Met goed afgestelde aardgasbranders worden verbrandingsrendementen behaald van 92% Hi en meer. De rookgastemperatuur verlagen (zie hoofdstuk 6: Recuperatie van warmte uit de rookgassen). Fig. 7: Verbrandingsrendement 1,00 c 0,95 0,90 0,85 Tf = 150 C Tf = 200 C Tf = 250 C 0, Luchtondermaat (%) Luchtovermaat (%) Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 13

18 Overige verliezen in het ketelhuis Convectie- en stralingsverliezen van de ketelwanden zijn afhankelijk van de temperatuur en van het buitenoppervlak van de ketel. Deze verliezen zijn constant, ongeacht de belasting van de ketel. Zij liggen gewoonlijk tussen 0,5 en 2% van het nominaal ketelvermogen. Alle warme behouders in het ketelhuis verliezen een deel van hun warmte, niet enkel de ketels. Inwendige verliezen te wijten aan de natuurlijke aanzuiging van koude lucht doorheen de ketel wanneer de brander niet werkt. Deze verliezen zijn groter bij een aanuit-brander dan bij een modulerende brander. De fabrikanten brengen nu systematisch afsluiters aan (luchtventilatorkleppen) om deze verliezen te beperken bij branderstilstand. Verliezen door spuien van de ketel, om de zoutconcentratie in de ketel te doen dalen. Dit verlies is een constant percentage van het nominaal vermogen van de ketel (gemiddeld 0,2%). Distrigas Gas Services heeft op stand-by ketels stilstandverliezen opgemeten, begrepen tussen 1,5 en 3% van het nominaal ketelvermogen. Dit is aanzienlijk, vooral bij overdimensionering van de ketel. De hierna volgende grafieken geven het rendement van een ketel in functie van de belasting bij modulerende branders en bij aan-uit-branders. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 14

19 Fig. 8.1: Rendement van een ketel met brander alles of niets -regeling c 1,00 0,90 0,80 Verbrandingsrendement verliezen Wand- Rookgasverlies Spuiverlies 0,70 0,60 Inwendige n verliezen Belasting (%) Fig. 8.2: Rendement van een ketel met modulerende brander ( % vermogensregeling) c 1,00 0,93 0,90 Rookgasverlies Wand- en spuiverliezen Verbrandingsrendement 0,80 0,70 0,60 Inwendige verliezen Belasting (%) Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 15

20 5.2. Het distributierendement netto beschikbare warmte d = voor de toepassing = Q 1 nettowarmte uitgang ketelhuis Qg Thermische verliezen in het distributienet Deze verliezen zijn functie van de stoomtemperatuur, de lengte van het net en van zijn isolatie. Bij de berekening van de thermische verliezen moet ook rekening gehouden worden met de talrijke hulpstukken zoals: kranen, ontluchters, flenzen, ophangpunten, enz. die moeilijk te isoleren zijn. Een niet geïsoleerde kraan bijvoorbeeld heeft evenveel verliezen als een geïsoleerde buis van 10 m. Bij deze verliezen komen ook nog de verliezen door stoom- en condenslekken. Een goed distributienet verliest toch 0,2 à 0,4% van het nominaal ketelvermogen per 100 m leiding Verlies door naverdampingsstoom Onder punt hebben we reeds de vorming van naverdampingsstoom besproken. Deze treedt op, zowel onmiddellijk na de condenspot, als door verdere afkoeling in de retourleiding. Slechts in uitzonderlijke gevallen wordt hij gerecupereerd (flashtank), maar normaal gaat hij ofwel ontsnappen als stoompluim aan de ontgasser, ofwel zijn warmte verliezen in de slecht geïsoleerde condensaatretourleiding. Zo in de verzameltank koud suppletiewater toegevoegd wordt, ter compensatie van stoomof condensaatverliezen en van spuiverliezen, zal de stoompluim kleiner zijn, daar er een deel warmte gebruikt wordt voor de opwarming van het suppletiewater. Wandverliezen van de leiding in W/strekkende meter (omgevingstemperateur = 20 C) Diameter leiding Niet geïsoleerde buis Buis bekleed met 20 mm isolatie ( λ = 0,045 W/m C) Buis bekleed met 60 mm isolatie ( λ = 0,045 W/m C) 100 C 200 C 100 C 200 C 100 C 200 C 2" " " " Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 16

21 5.3. Het toepassingsrendement 5.4. Het totaalrendement Dit is de verhouding tussen de warmte opgenomen door de toepassing (Q) en de warmte afgeleverd aan deze toepassing (Q2). u = warmte opgenomen door de toepassing netto beschikbare warmte voor de toepassing = Q Q2 Dit rendement is veranderlijk volgens het type toepassing en de regeling. De warmte moet niet alleen afgegeven worden aan de toepassing, maar ook op het moment dat zij nuttig is. Volgende elementen beïnvloeden nadelig het toepassingsrendement: de thermische inertie van de warmtewisselaars, het slecht sluiten van stoomkranen, de slechte werking van condenspotten (stoom in het condensaatnet), warmtewisselaar met te groot stoomvolume bij batchprocessen, het gebrek aan precisie van de meet- en regelorganen. = c. d. u Het totaalrendement is opgebouwd uit verschillende elementen en is dus meer dan alleen maar het verbrandingsrendement van de ketel. In een gunstig geval, waarin bijvoorbeeld c = 0,92 ; d = 0,91 en u = 0,95, heeft men een totaalrendement van 0,80; wat zeer goed is. Niet zelden heeft men totaalrendementen van slechts 0,5-0,6, vooral wanneer het warmtefluïdum gebruikt wordt voor verwarming van grote ruimten. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 17

22 6. Recuperatie van de warmte van de rookgassen Het grootste warmteverlies in een ketel is de warmteinhoud van de rookgassen. Hieruit moet men trachten energie terug te winnen. Men stelt vast dat f lineair stijgt naarmate de rookgastemperatuur (Tf) daalt en dit tot ± 57,5 C. In feite wordt enkel de voelbare warmte van de rookgassen gerecupereerd. Wanneer Tf lager wordt dan 57,5 C (dauwpunt), stijgt dit rendement veel vlugger. Omdat nu ook de latente warmte (condensatiewarmte) van de waterdamp in de rookgassen, wordt gerecupereerd. De recuperatie van de warmte uit de condenserende rookgassen leidt tot rendementen f groter dan 1. Dit komt door het feit dat men conventioneel de (Hi) (onderwaarde) en niet de (Hs) (bovenwaarde) van de brandstof in aanmerking neemt voor de bepaling van warmtetoevoer in de ketel Qg. Het verschil Hs - Hi is niets anders dan de condensatiewarmte van de waterdamp in de rookgassen. Fig. 9: Verbrandingsrendement en rookgastemperatuur (10 % luchtovermaat, verbrandingslucht 20 C) 1,10 c 1,05 1, C Tf 0,95 57,5 5 C 0,90 Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 18

23 6.1. Middelen om de warmte uit de rookgassen te recupereren 6.2. Gebruik van de gerecupereerde warmte Er bestaan twee types recuperatoren: rookgascondensors: dit zijn toestellen uit roestvrij staal met een voldoende groot warmtewisselingsoppervlakte en een inlaattemperatuur van het te verwarmen fluïdum lager dan 50 C, zodat condensatie van de rookgassen kan optreden, economisers en luchtvoorverwarmers: toestellen met kleinere warmtewisselingsoppervlakte en een inlaattemperatuur van het te verwarmen fluïdum hoger dan 60 C, zodat geen condensatie van de rookgassen kan optreden De gerecupereerde warmte wordt optimaal aangewend wanneer ze opnieuw in het proces terechtkomt, zodat productie en aanwending simultaan verlopen. In de praktijk zijn de mogelijkheden: verwarmen van het voedingswater van de ketel, voorverwarmen van het suppletiewater, voorverwarmen van de verbrandingslucht, warmwaterbereiding (sanitair) is een bijkomende mogelijkheid. Fig. 10: Ketelhuis met economiser en condensor Stoom 10 bar 180 C Ontgasser 105 C Terugvoer condensaten 90 C Rookgassen 54 à 50 C Gas 220 C 20 C 130 C Economiser Condensor Voedingswater 130 C Suppletiewater t 20 C Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 19

24 6.3. De voorverwarming van het voedingswater en het suppletiewater Het voedingswater van de ketel, ontgast op 105 C in de ontgasser, kan in een economiser nog ± 25 C voorverwarmd worden door de rookgassen. De mogelijke energiebesparing bedraagt in dit voorbeeld 4,3%. Dit is de meest gebruikte recuperator, daar hij onafhankelijk is van de hoeveelheid condensterugvoer. Het suppletiewater kan voorverwarmd worden, in een warmtewisselaar/condensor, geplaatst in de rookgassen, waardoor er stoom in de ontgasser bespaard wordt en dus brandstof in de ketel. De mogelijke energiebesparing bedraagt in dit voorbeeld tussen 5,5 en 7,6%. Deze recuperator (uit roestvrij staal) kan alleen maar verantwoord worden bij voldoende aanvoer van suppletiewater. De besparing op de recuperator geplaatst op de basisketel, kan zelfs meer dan 10% bedragen. De investering kan dan zeer vlug terugverdiend worden. Fig. 11: Warmterecuperatie op de rookgassen (economiser en condensor) 15% % Q g 10% Suppletiewater 90 Rookgassen 54 76,5 51,5 5 73,8 50,8 71,7 C 7 C 50 C Condensor 5,5 6,8 7,2 7,6% 5% 4,3% 0% 0 Economiser Koeling rookgassen van 220 C tot 130 C % Suppletiewater Stoom en rechtstreekse 1,00 aardgastoepassingen 20 Tf = 150 C Tf = 200 C

25 6.4. De voorverwarming van de verbrandingslucht Deze recuperatoren zijn meestal van het droge type en laten toe de verbrandingslucht van 20 C tot 170 C op te warmen. Op bepaalde delen kunnen de rookgassen afkoelen tot er condensatie optreedt. Het materiaal moet dus bestand zijn tegen oxidatie en de branders ontworpen voor gebruik van voorverwarmde verbrandingslucht. De mogelijke energiebesparing kan meer dan 6% bedragen. Deze recuperator is geschikt bij 100% condensaatterugvoer en hoge rookgastemperatuur. BESLUIT De mogelijkheden om de verliezen eigen aan centrale stoomproductie te beperken zijn dus begrensd. Rationeel Energie Gebruik impliceert een ander concept. Dit concept wordt beschreven in het tweede deel van deze brochure. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 21

26 DEEL 2 Gedecentraliseerde warmteproductie NAbij het proces 7. Principe In het eerste deel hebben we gezien dat de gecentraliseerde warmteproductie voor verspreide toepassingen onvermijdelijke verliezen inhoudt die het totaalrendement beperken. Er kunnen weliswaar recuperatietechnieken toegepast worden om te trachten deze verliezen te verminderen, maar een dergelijk productieconcept leidt niet tot uitzonderlijke prestaties. Onderstaand diagram van de warmtetoevoer, gegeven bij wijze van voorbeeld, toont aan dat de verliezen zich op alle niveaus voordoen: productie, distributie en aanwending van de warmte. Fig. 12: Centrale stoomproductie Globaal rendement 100 = = 0, Ketelhuis Distributie Toepassing 117 c = = 0, d = = 0, Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 22

27 De efficiëntie in belangrijke mate verbeteren, impliceert dus het verlaten van het concept van gecentraliseerde productie en het zoeken naar oplossingen die een decentralisatie van de warmteproductie mogelijk maken. In deze optiek wordt de stoomproductie gedecentraliseerd door de aanwending van kleine generatoren vlakbij de toepassing, die goed gedimensioneerd zijn en bijgevolg kleinere verliezen vertonen. De verliezen van het distributienet worden beperkt t.o.v. het klassieke systeem. Fig. 13: High efficiency lokale stoomproductie (decentraal) Globaal rendement 100 = = 0, Ketelhuis Distributie Toepassing 105 c = = 0, d = = 0, Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 23

28 Als de stoom niet strikt noodzakelijk is, kan men de warm te aan de toepassing leveren zonder tussenkomst van een warmtefluïdum, maar eenvoudig door warmteuitwisseling met de rookgassen. De distributieverliezen zijn in dit geval volledig uitgeschakeld. Als de technologie het toelaat, kan men de warmte produceren direct in de toepassing, door de rookgassen rechtstreeks in contact te brengen met de te verwarmen materie. De distributieverliezen evenals de verliezen die verband hou- den met de warmteproductie verdwijnen. Al de warmte van de brandstof is dus beschikbaar voor de te verwarmen materie. Het verloop van deze verschillende energetische schema s toont aan dat het concept van gedecentraliseerde warmteproductie vrij belangrijke mogelijkheden inhoudt. Aardgas blijkt bijzonder geschikt om gebruikt te worden in de technieken die aan dit concept beantwoorden. Fig. 14: Directe gasverwarming (met warmtewisselaar) Fig. 15: Directe gasverwarming (zonder warmtewisselaar) Globaal rendement 100 = = 0, Globaal rendement 100 = = 1, Productie Toepassing Productie Toepassing Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 24 Q 1 k = Qg Q2Q Q 1 k = Q Qg

29 8. Gedecentraliseerde stoomproductie 9. Het drogen Er bestaan kleine generatoren voor ogenblikkelijke stoomproductie, werkend op aardgas, met een kleine waterinhoud en met vermogens tussen 75 kg/h stoom en kg/h stoom en drukken tot 50 bar. De decentralisatie van de stoomproductie heeft volgende voordelen: minder distributieverliezen, minder convectie-, stralings- en inwendige verliezen bij de warmteproductie. De stoomgenerator kan immers juist bemeten worden en werkt slechts als er stoomvraag is, een grote werksoepelheid (verkorte starttijden, enz.), de mogelijkheid om bijkomende stoomgeneratoren te plaatsen bij uitbreidingen, de mogelijkheid om de generatoren van plaats te veranderen zonder al te grote kosten Algemeenheden Drogen is het onttrekken van vocht uit een vaste stof door verdamping, dit in fasen: warmteoverdracht van de drooglucht naar de materie om het vocht dat zij bevat op te warmen en naar de oppervlakte te laten migreren, verdampen van vocht uit de te drogen materie naar de lucht, afvoeren van de vochtige drooglucht en van de gedroogde materie uit de droger. De temperatuur en het debiet van de drooglucht moeten dus voldoende hoog zijn opdat er gelijktijdig opwarming van de materie, verdamping van de vloeistoffase door warmteoverdracht en verwijdering van de damp door de afgezogen lucht zou zijn. Het toepassingsrendement van deze toepassing wordt als volgt bepaald: u = hoeveelheid verdampt water x verdampingswarmte luchtdebiet x enthalpie van de lucht aan de ingang van de droger De verliezen in het droogproces zijn: de voelbare warmte van de lucht aan de uitgang van de droger, de voelbare warmte van de droge materie, de stralings- en convectieverliezen van de droger. Rechtstreekse aardgasdrogers hebben typisch een rendement begrepen tussen 50 en 65 %. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 25

30 9.2. Indirecte droging (vooral stoomgebruik) Indirecte droging wordt alleen nog toegepast indien de te drogen materies niet rechtstreeks in contact met de rookgassen mogen komen. Stoom heeft als nadeel de beperkte temperatuurkeuze en de verliezen van de stoomproductie. Thermische olie is gevaarlijk bij eventuele lekken (zowel brandgevaar als verontreiniging van het te drogen product) en wordt bijna niet meer toegepast. Een aardgasgestookte warmeluchtgenerator is rendabeler. De distributieverliezen en de verliezen wegens een eventuele overdimensionering van de stoomketel worden uitgeschakeld. Fig. 16: De indirecte droging Stoom Warmelucht generator Droger Droger Lucht Lucht Stoomketel 52 Ketelverlies 28 Generatorverlies Qg=286 Q1=234 Q2= Nuttige warmte Q Qg= Nuttige warmte Q Distributieverlies Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 26

31 9.3. Rechtstreekse droging (de uitverkoren techniek dankzij aardgas) Fig. 16 bis: De indirecte droging De drooglucht wordt verwarmd door menging met de rookgassen van het aardgas. De rechtstreekse droging biedt de volgende voordelen: de verliezen van de stoomproductie en -distributie zijn weggewerkt, aanzienlijke rendementswinst want alle verbrandingswarmte is opgenomen door de drooglucht. In vergelijking met de indirecte techniek met stoom is er een verhoging van het totaal rendement met meer dan 40% mogelijk, productiviteitstoename, omdat men op een hogere temperatuur kan werken dan bij stoom. Lucht Droger Make-up air Make-Up Air brander Gas Een andere veel toegepaste directe droging met aardgas is de infrarooddroging. Hier brengen aardgasgestookte stralers hun energie naar de oppervlakte van de te drogen materie en dringen er tot op een zekere diepte in door. Deze techniek is vooral geschikt voor het drogen van dunne lagen zoals papier, verf, lak, rugdeklagen van tapijt en meubelstoffen... Qg= Nuttige warmte Door de vele ontwikkelingen die de branderconstructeurs verwezenlijkt hebben, is rechtstreekse droging met aardgas een begrip geworden in: 100 de voeding- en de agro-industrie: graan, soja, mout, veevoeder, aardappelproducten, de textielnijverheid: spanramen, trommeldrogers, linnendrogers, infrarooddrogers, de bouwmaterialen-, baksteen-, en keramische industrie: zand-, kalkdrogers, de metaal-, en automobielindustrie: oppervlaktebehandeling, verfstraten, drogen van lak, de papierindustrie: infrarooddrogers,... en veel andere gebieden. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 27

32 10. Verwarming van vloeistoffen in baden Indirecte verwarming van baden Indirect vloeistoffen verwarmen met stoom kent dezelfde energieverliezen die reeds bij het indirect drogen met stoom werden aangehaald. Stoominjectie heeft een goed toepassingsrendement, maar er blijven de verliezen van de stoomproductie en de distributie. Deze techniek wordt nog veel toegepast, vooral waar weinig plaats is om warmtewisselaars te plaatsen en waar de opwarming zeer snel moet gaan. Ze laat toe een groot rendement te bekomen, aangezien de warmte van de stoom zich in het water bevindt. De verliezen van de stoomproductie en de distributie blijven echter behouden. Fig. 17: Stoomverwarming van vloeistoffen in baden Stoom Met spiraalbuis Stoom Met directe stoominjectie Terugvoer condensaten + naverdampingsstoom Spui Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 28

33 10.2. Techniek van verwarming van vloeistoffen met aardgas De ondergedompelde verbranding Met aardgas wordt de ondergedompelde verbranding gebruikt waarin de rookgassen doorheen het bad borrelen. Het uitwisselingsoppervlak tussen de twee fluïda is groot, zelfs voor een vrij korte doorborrelingshoogte (500 à 600 mm). Een kubieke meter rookgas, verspreid in de vorm van bellen van 6mm diameter, stemt overeen met een uitwisselingsoppervlak van m 2. Na de doorborreling ontsnappen de vochtverzadigde rookgassen op de temperatuur van het bad. Fig. 18: Ondergedompelde verbranding (direct) Indien de badtemperatuur gelijk is aan het dauwpunt (57,5 C), zal alle waterdamp gevormd door de verbranding ontsnappen en het verbran dingsrendement 98% bedragen. Indien de temperatuur van de rookgassen daalt onder 57,5 C (dauwpunt) zal de waterdamp van de rookgassen gedeeltelijk condenseren. Het bad wordt dus verdund. Het verbrandingsrendement is dan groter dan 1 vermits een gedeelte van de latente warmte van de waterdamp door het bad gerecupereerd wordt. Boven de dauwpunttemperatuur is er verdamping van water en verzadiging van de rookgassen, dus een uitdampen van de vloeistof. Dit verschijnsel is verwaarloosbaar tussen 60 en 70 C. Boven deze temperatuur krijgt het meer belang. Gas Deze techniek is daarom niet aangewezen voor het opwarmen van baden boven de 70 C. Door contact met de CO2 in de rookgassen verhoogt het zuurgehalte in het bad; deze verzuring is eenvoudig te neutraliseren. In een toepassing waarbij het vloeistofbad niet opgewarmd, maar constant op een hoge temperatuur gehouden wordt, is de rechtstreekse verwarming dus niet aangewezen. Zo de toepassing er in bestaat om het bad zo efficiënt mogelijk uit te dampen (concentreren) is dit daarentegen een uitstekende oplossing. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 29

34 De compacte dompelbuizen Met deze brander kunnen baden verwarmd worden op temperaturen hoger dan 70 C, zonder uitdamping. De vloeistof wordt verwarmd door warmtewisseling met een onder gedompelde spiraal waardoor de rookgassen circuleren. Het thermisch vermogen kan 50 tot 80 kw per m2 spiraal oppervlakte bereiken, indien hogesnelheidsbranders worden ingezet. Dan kunnen rendementen tot 90% gehaald worden. Maximumtemperatuur van het bad is typisch 95 C. Fig. 19: Ondergedompelde verbranding (indirect) Gas Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 30 Rookgassen Ro

35 De warmwaterketel De vloeistof wordt buiten het bad in een specifieke ketel verwarmd. Zij speelt enigszins de rol van warmtedrager. Ze doorloopt dus een lus en gaat doorheen een vloeistofverwarmer. De ketelverliezen blijven bestaan, maar zij zijn beperkt omdat de warmwaterketel goed aan de behoeften aangepast is. De distributieverliezen zijn beperkt. Industriële warmwaterbaden bevatten vrijwel allen opgeloste zuurstof en koolstofdioxide. Zij zijn dus licht corrosief. De ketels voor industriële warmwaterbaden zullen dan ook robuuster zijn dan de ketels voor centrale verwarming. Fig. 20:: Vloeistofverwarmer Rookgassen Ketel Te verwarmen bad Brander Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 31

36 11. De rechtstreekse verwarming van grote ruimten Algemeenheden Het energieverbruik voor de verwarming van de grote ruimten is belangrijk en het is uur- en seizoengebonden. In de bedrijven worden de productieruimten, de sociale lokalen en zelfs de burelen dikwijls verwarmd door lagedrukstoom afkomstig van de centrale stookplaats. De stookplaats produceert prioritair stoom voor de procestoepassingen. Gemakshalve wordt daar dikwijls de verwarming van de werkruimten en andere lokalen bijgevoegd, daar er toch stoom voorhanden is. Maar: hoe de ruimten vorstvrij houden wanneer er geen productie is? dimensioneren van de stoomketel: de maandagochtendpiek bij -7 C aankunnen en daarom praktisch het ganse jaar door rendementsverlies lijden door een over gedimensioneerde ketel, tussen starten van de ketel en een comfortabele temperatuur in de werkplaats verloopt 4 à 5 uur, de lengte van het stoomdistributienet wordt dikwijls tot drie maal langer, wanneer alle verwarmingstoestellen aangesloten worden. Directe aardgasverwarming laat toe 50% energie te besparen, zonder comfortvermindering. Fig. 21: Verwarming van grote ruimten Gecentraliseerd Globaal rendement 100 = = 67% 150 Ketelhuis Distributie Te verwarmen ruimte Gas 150 = 77% Stoom / warm water Verwarmingslichaam 110 Warme lucht Rookgassen 5 Inwendige verliezen Decentraal Globaal rendement 100 = = 86% 116 Gas 116 Luchtverhitter Warme lucht 100 Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 32

37 Voorafgaande studie De verwarming van grote ruimten moet het voorwerp uitmaken van een bijzondere studie, rekening houdend met talrijke factoren zoals: ligging, bouw, isolatie en luchtverversing. Maar ook gebruiksduur, aard van de activiteit en personeelsbezetting hebben hun invloed. Luchtverversing is een zeer belangrijke factor en omvat 30 à 50% van de warmteverliezen Convectie en straling Er bestaan twee soorten verwarming: convectie en straling. Bij convectieverwarming wordt de totaliteit van de lucht in het lokaal verwarmd en is de verwarming globaal. Alles wordt immers op de temperatuur van de omgevingslucht gebracht. In hoge lokalen echter, stijgt de warme lucht tot onder het dak. De warmteverliezen doorheen het dak kunnen groot zijn, vooral als het dak slecht geïsoleerd is, wat in de industriële hallen meer regel dan uitzondering is. Het energieverbruik is dus zeer groot. De stralingsverwarming daarentegen is gelokaliseerd. Zij laat toe welbepaalde zones van het lokaal, waar er personeel aan het werk is, te verwarmen. Dit verwarmingstype is dus geschikt voor hoge, slecht geïsoleerde of ondichte gebouwen. De straling geeft haar warmte af doorheen de lucht zonder de temperatuur ervan te verhogen. De warmtestroom wordt gericht op de personen en de voorwerpen en is dus minder gevoelig aan warmteverlies door luchtverversing. De straling verschaft de personen eenzelfde comfort als de convectieverwarming terwijl ze de omgevingslucht, de wanden en het dak op een lagere temperatuur houdt, waardoor het verbruik dus lager ligt en de comfortsituatie sneller bereikt wordt. Deze twee verwarmingstechnieken staan dus haaks op elkaar; convectieverwarming is globaal, stralingsverwarming sterk lokaal gericht. Lange tijd hebben zij met elkaar gewedijverd. Vandaag evenwel zoeken de fabrikanten naar bijkomende oplossingen om de nadelen van zowel het ene als het andere systeem, uit de weg te ruimen De convectieverwarmingstoestellen op aardgas Het aardgas wordt in het toestel zelf verbrand en de warmte van de rookgassen wordt via een warmtewisselaar afgestaan aan de omgevingslucht. Een ingebouwde ventilator verdeelt deze lucht in de ruimte. De rookgassen worden naar buiten afgevoerd Er bestaan twee typen toestellen: De aardgasgestookte luchtverhitters zijn toestellen van 20 tot meer dan 100 kw, die in het lokaal opgehangen worden en oordeelkundig verdeeld, zodat een optimaal comfort gewaarborgd is. Het verbrandingsrendement van het toestel bedraagt typisch 86% op jaarbasis. Meer recent is er een evolutie om af te stappen van het open toestel en dit te vervangen door het energiezuinigere gesloten toestel, waar door het voorkomen van valse trek in de schouw, een hoger totaal rendement ontstaat. Nog voordeliger zijn de gesloten condenserende toestellen, die totaalrendementen halen groter dan 1. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 33

38 Fig. 22: Luchtverhitter van 50 kw met atmosferische brander Open -model (type B) 6000 m3/u 40 tot 45 C 20 C Gas = 6 m3//h Niet in werking Gesloten -model (type C) Extractor C 20 C Met condensatie Extract 20 C 20 C m3/h ttot 45 C Gas = 6 m3/h Gas 6000 m3/u 40 tot 45 C Gas = 5 m3/h Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 34 Gaz = 6 m3//h Gaz

39 De warmeluchtgeneratoren kunnen grotere vermogens bereiken. Zij zijn uitgerust met ventilatorbranders (voorzien van een luchtklep) en worden meestal op de grond geplaatst. Hun verbrandingsrendement ligt tussen 0,89 en 0,92. Voor comfort en rationeel energiegebruik is het vermogen per toestel best beperkt tot ± 250 kw. Bij deze aardgastoestellen is er, in tegenstelling tot de verwarming met stoom, thermische olie of warm water, praktisch geen verschil tussen het verbrandingsrendement en het totaal rendement omdat de vaste restverliezen miniem zijn De stralingsverwarmingstoestellen op aardgas Donkere stralingsbuizen Deze éénbloksystemen zijn onafhankelijke stralingsbuizen die elk voorzien zijn van een brander, stralingselement en extractieventilator. Het stralingselement is een buis in U-vorm van 3 of 4, waarboven een reflecterende plaat is aangebracht. De rookgassen verwarmen inwendig de stalen buizen tot een gemiddelde wandtemperatuur van 350 C. Ze blijven dus donker. De reflecterende plaat beperkt de stralings verliezen. Fig. 23: Warmeluchtgenerator Rookgassen Brander Ventilator Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 35

40 Fig. 24: Donkere stralingsbuis Rookgassen Infraroodstraling 200 C 300 C Extractor 300 C 550 C 1000 C Gas 450 C Verbrandingslucht Isolatie Reflector Infrarood straling De buizen zijn aangesloten op een rookgasafvoerkanaal en zijn geschikt voor de verwarming van ruimten van 4 tot 7 m hoog. Er bestaan ook enkele varianten, waar er een doorlopend circuit is van stralingsbuizen met meerdere branders of met een centrale warmeluchtgenerator Heldere stralingspanelen De stralingspanelen worden door oppervlakteverbranding roodgloeiend gemaakt (800 à 950 C). Het lucht-gasmengsel brandt aan de oppervlakte van een brander uit licht vuurvast materiaal, doorboord met fijne gekalibreerde kanalen. De door de straling uitgezonden warmte heeft een grotere vermogensdichtheid dan de donkere stralingsbuizen door de hogere stralingstemperatuur en kan dus op grotere afstand doordringen. De heldere stralingspanelen worden gebruikt voor hoge, sterk verluchte lokalen, ophanghoogte 4 à 9 m. Zij zijn zeer geschikt voor zoneverwarming in grote werkplaatsen en voor de verwarming van werkposten in weinig geïsoleerde of half open lokalen (los- en laadkade...). Veelal zijn de toestellen van het type A (rookgassen komen in de omgevingslucht terecht) of van het type B indien de kans bestaat dat de rookgassen onder het dak condenseren door onvoldoende ventilatie. Standaard bedraagt het stralingspercentage 50% van de verbrandingswarmte. De producenten trachten apparaten te ontwikkelen waarbij de wanden van de deflectorplaten worden gebruikt als bron voor donker straling en om de rookgassen in te sluiten en zo de convectieverliezen te beperken... Het totale stralingsrendement wordt zo verhoogd tot 65%. Bij het grote publiek zijn ze algemeen gekend als terras - of kerk verwarming. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 36

41 Fig. 25: Helder stralingspaneel Standaarduitvoering r = 50% ± 900 C ± 100 C Lucht Deflector Rookgassen Gas Lucht Geïsoleerde uitvoering + donkere straling ± 900 C r = 65% ± 500 C Deflector Lucht Gas Lucht Rookgassen Idem + lucht/gas voorverwarming r = 75% ± 500 C ± 500 C Deflector Lucht Rookgassen Gas Lucht Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 37

42 11.4. Rechtstreekse convectieverwarming: de ventilatieluchtverwarming Dit procédé vervult tegelijkertijd twee functies: luchtverversing en op temperatuur brengen van deze verse lucht. Het is dus geen verwarming van werkplaatsen, maar wordt gebruikt waar omwille van de luchtvervuiling een gedwongen ventilatieluchtverversing verplicht is, bv. lasateliers. Het aardgas wordt rechtstreeks in de ventilatielucht verbrand. Dit heeft als gevolg dat de rookgassen sterk verdund worden door de verse lucht en dat de verse lucht wordt verwarmd door bijmenging met de warme rookgassen. Er zijn dus noch productie-, noch distributieverliezen, maar wel normen te respecteren Voordelen van de systemen van rechtstreekse verwarming met aardgas kleine thermische inertie en dus grote soepelheid, met snelle overgang van een regime op een ander, zonder warmteverlies, temperatuurregeling mogelijk per zone, mogelijke afvoer naar buiten van de rookgassen, progressieve en modulaire opbouw met elementen, geen gevaar voor bevriezing, geen of weinig plaats op grond. Fig. 26: Ventilatieluchtverwarming in een atelier Buiten Filter Make-up air brander Binnen Verse lucht Afsluitklep ta Beschermend raster Gas Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 38

43 11.6. Samenvatting van de verwarmingssystemen met aardgas Onderstaande tabel geeft een overzicht van de verwarmingssystemen aangepast aan de verschillende typen industriële lokalen. Verwarmingsmethode Luchtverhitters stoom Convectie luchtverhitters op gas Make-up air gas Stoom of oververhit water Straling Donkere straling gas Heldere straling gas Rookgassen in lokaal Productieen distibutierendement Hoogte lokaal max. Stralingsrendement Installatiehoogte Te installeren vermogen per eenheid grondoppervlakte Te installeren vermogen per eenheid volume Plaatselijke verwarming van werkpost ja nee ja nee nee ja tot 60% 50 tot 70% 50 tot 70% 70% 90% 100% 70% 88% 100% 5 m 5 m 5 m 3 tot 4,5 m 4 tot 11 m 7 m en meer W/m W/m W/m 2 40 W/m 2 30 W/m 2 40 W/m nee nee nee nee ja aangeraden Regeling slecht goed goed slecht goed goed Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 39

44 Straling of warme lucht? Kies voor straling Kies voor warme lucht Type constructie Ouder Moderner Dakisolatie Slecht Goed Dakdichtheid Slecht Goed Hoogte hall > 5 m < 7 m Ventilatiegraad Hoog Laag Werkposten Verspreid Uniform verdeeld Industriële activiteit Zwaar Licht Ingenomen ruimte in de hoogte van de hal Laag Belangrijk Verwarmingsregime Sterk variërend Constant Fig. 27: Energieomzetting 1 kwh = 3600 kj = 860 kcal 1 GJ = 278 kwh = 0,238 Gcal 1 kcal = 4,1868 kj = 0, kwh = 1, kwh Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 40

45 BESLUIT In talrijke industriële processen is het gebruik van warmte, op lage, hoge en zeer hoge temperatuur, veralgemeend. Bij de ontwikkeling van nieuwe producten gaat de aandacht voornamelijk naar de juiste invulling van de verwachtingen van de klant, maar steeds meer worden ook de energetische- en milieuaspecten van de productieprocessen onder ogen genomen. Concepten, zoals flexibiliteit van het productieapparaat, lean manufacturing, just in time leveringen, Quality Assurance, maar ook milieumanagement, Life Cycle Analysis en Rationeel Energie Gebruik, leiden tot een vernieuwde aandacht vanwege de procesingenieur en tot nieuwe verwachtingen vanwege de bedrijfsleider voor zijn bedrijfsprocessen. Decentrale warmteproductie met aardgas, zo dicht mogelijk bij of zelfs in het proces zelf, biedt dikwijls een concreet antwoord op vele van deze vragen. Talrijke constructeurs van branders en brandersystemen hebben de laatste jaren innovatieve toepassingen ingevoerd, om de rendementen te verhogen en die allen berusten op de intrinsieke kwaliteiten van het aardgas. Deze brochure overloopt de verschillende beschikbare technieken om aardgas met het hoogst mogelijk rendement in te zetten, door toepassing van gedecentraliseerde warmteproductie. Sommige processen zullen een beroep blijven doen op stoom omwille van hun specifieke eisen. Hoewel het gebruik van een intermediaire energiedrager altijd aanleiding geeft tot verliezen, is aardgasstook ook het beste middel om aan de stoomvraag te voldoen. Doorgedreven warmterecuperatie, eventueel met rookgascondensatie, decentrale stoomproductie, branders met groot regelbereik en juiste dimensionering, laten toe ook in deze gevallen de energiehuishouding optimaler te laten verlopen. Even belangrijk zijn de operatio nele aspecten: opwarmduur verminderen, bewaking- en onderhoudskosten beheersen en productiecapaciteit verhogen. Deze brochure behandelt niet al deze aspecten, ze beperkt zich tot enkele thermische inzichten die hun steentje bijdragen in het verder realiseren van bovenvermelde concepten. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 41

46 Geheugensteuntje Met aardgas w beschik ik over een brandstof die vriendelijk is voor milieu en gebruiker w bekom ik een hoog energetisch totaalrendement: stabiele zuivere verbranding, branders met groot regelbereik, perfecte luchtregeling, kleine luchtovermaat, uitstekende warmteuitwisseling, potentieel aan recuperatiewarmte en zelfs directe toepassingen, minder elektrische hulpenergie. w heb ik geen problemen met: opslag van brandstof en mogelijke problemen, afvoer van verbrandingsresten, reinigen en onderhoud, voorverwarmen van brandstof en startproblemen. w beschik ik over een betrouwbare bevoorrading en technische steun bij het gebruik. Stoom en rechtstreekse aardgastoepassingen 42