Effizienzsteigerung an Kessel und Anlage

Info zu Jahresnutzungsgrad

Neben der aufwändigeren Untersuchung mit einer Wärmebildkamera können die „Hot Spots“ mit den größten Wärmeverlusten meist auch allein durch das Erspüren von heißen Bereichen, die visuelle Über­prüfung der Isolierung oder mittels eines Oberflächen- oder Strahlungsthermometers erkannt und beseitigt werden.

Die Oberflächentemperatur ist allerdings nur bedingt ein Maß für die Höhe der Wärmeverluste. Ins­besondere dann, wenn unterschiedliche Oberflächenwerkstoffe miteinander verglichen werden spricht eine niedrigere Oberflächentemperatur mitunter für höhere Wärmeverluste.

Der Grund liegt im Strahlungs­koeffizienten der Isolieroberfläche. Ein hoher Koeffizient erhöht die Wärme­verluste, senkt aber gleichzeitig die Oberflächentemperatur. Es ist also der Einsatz eines Werkstoffs mit geringem Emissions­koeffizienten ε vorteilhaft.

Auflistung der Emissions­koeffizienten, Wärmeverluste und Oberflächentemperaturen bei unterschiedlichen Oberflächen
_{1) nach VDI 2055 Blatt 1 Anhang A8}

In bestehenden Anlagen entstehen die größten Wärmeverluste meist durch nicht isolierte Armaturen, durch bei Revision oder Reparatur von Anlagenteilen nicht erneut isolierte Bereiche oder durch, beim Verschieben der Isolierschutzoberfläche, gebildete Wärmebrücken.

Durch die Beseitigung dieser „Hot Spots“ in bestehenden Anlagen kann bereits ein Großteil der Leitungs- und Strahlungsverluste vermieden werden ohne eine komplette Neuisolierung vornehmen zu müssen. Maßnahmen an nicht isolierten Bereichen der Gesamtanlage (z. B. Kessel, Dampf- und Kon­den­satleitungen, Armaturen, Behältern) stellen eine der wirtschaftlichsten Einsparmaßnahmen in vorhandenen Systemen dar.

Der Wärmeverlust des Kessels selbst kann auch auf einfache Weise im Stillstand ermittelt werden. Nach Außerbetriebnahme des Kessels (z. B. am Wochenende) kann die Druckabsenkung bei geschlossenen Dampf-, Absalz- und Abschlamm­ventilen ermittelt werden. Beginnend bei einem Dampfdruck im Kessel von 10 bar sollte der Druckabfall nicht mehr als 0,2 bar/h betragen. Es ist zu beachten, dass nicht nur die Strahlungs- und Leitungsverluste mit einbezogen, sondern auch die durch den Kaminzug entstehen­den Lüftungsverluste gegebenenfalls berücksichtigt werden müssen. Ebenfalls kann das Ergebnis durch nicht dichtschließende Ventile beeinflusst werden.

Der indirekt durch die Druckabsenkung gemessene Wärmeverlust ist jedoch unabhängig von der Ursache vorhanden und sollte vermieden werden.

Die Effizienz der Isolierung kann dabei durch nachfolgende Punkte verbessert werden.

 

Isolierdicke und Oberfläche

Durch eine Erhöhung der Isolierstärke können die Oberflächentemperatur und der Wärmeverlust redu­ziert werden. Hier gilt es jedoch eine vernünftige, wirtschaftliche Optimierung zu wählen, da eine Ver­doppelung der Isolierstärke keinesfalls eine Halbierung der Oberflächenverluste bedeutet.

Für den Gesamtwärmeverlust spielt neben der Isolierstärke auch die Größe der Oberfläche eine ent­schei­dende Rolle. Hier sind kompakte Kesselbauarten, z. B. im asymmetrischen Design, sowie integrierte Economiser und eine daraus resultierende kleinere Isolieroberfläche von Vorteil.

Wärmeverluste über den isolierten Bereich der Behälter- oder Kesseloberfläche

Die Abbildung oben „Wärmeverluste über den isolierten Bereich der Behälter- oder Kesseloberfläche“ zeigt, dass bei einer Isolierstärke von 100 mm und einer Mediums­temperatur von 150 °C ein Wärmeverlust von etwa 57 W/m² entsteht.

Bei einer Isolierstärke von 150 mm verringert sich dieser um etwa 30 % auf rund 40 W/m². Wird die Iso­lierstärke auf 200 mm erhöht, reduziert sich der Wärmeverlust gegenüber einer 100 mm Isolierung um 44 % auf 32 W/m².

Isolierung von Rohrleitungen

Die durchgehende Isolierung von Rohrleitungen mit heißem Medium ist inzwischen in allen Anlagenteilen zur Energieeinsparung und zum Arbeitsschutz verpflichtend vorgeschrieben (z. B. Energieeinsparverord­nung). Bei der Entscheidung für eine bestimmte Isolierdicke sollten jedoch nicht nur die Vorschriften sondern vor allem die Wirtschaftlichkeit ausschlaggebend sein.

Anhand des folgenden Diagramms kann in Abhängigkeit der Mediums­temperatur, des Rohrdurch­messers und der Isolierstärke sowohl der absolute Wärmeverlust pro Meter unisolierter Rohrleitung (linke Ordi­nate), wie auch der Einsparfaktor einer isolierten Rohrleitung (rechte Ordinate) bestimmt werden.

Die Berechnungen für das oben stehende Diagramm „Einsparfaktor durch Isolierung und Wärmeverluste an Rohrleitungen“ erfolgen in Anlehnung an die VDI 2055 Blatt 1: Unisoliertes lackiertes Stahlrohr, Isolierung Mineralwolle, Isoliermantel Aluminium Walzblech, horizontale Rohrleitung, Umgebungs­temperatur 20 °C.

Für eine Dampfleitung mit einer Länge von 100 m ergibt sich durch eine Erhöhung der Isolierstärke von 60 mm auf 150 mm eine Einsparung von rund 920 € pro Jahr (bei angenommenen 8 000 Betriebsstunden und 4,5 ct/kWh Energiekosten).

Jeder Meter unisolierte Rohrleitung kostet hier über 300 € im Jahr.

Einsparpotential durch Erhöhung der Isolierstärke am Beispiel einer Dampfleitung

_{1) Bei 100 m Rohrlänge und 8 000 Betriebsstunden/Jahr}

_{2) In Bezug auf die Dicke der Isolierung s = 60 mm} 

Isolierte Armaturen

In Dampfkessel­anlagen finden sich an vielen Stellen Armaturen, die für die Bedienung und Wartung der Anlage notwendig sind. Aus Montage- oder Kostengründen oder aus unterschiedlichen Liefergrenzen wird auch bei Neuanlagen immer noch oft auf die Isolierung von Armaturen oder Übergangsflanschen verzichtet. Ebenso sind in Bestands­anlagen häufig nicht isolierte Armaturen anzutreffen.

Diese unisolierten Bereiche verursachen jedoch einen sehr hohen Energieverlust. Zur Abschätzung des Energieverlusts einer unisolierten Armatur kann folgende Tabelle dienen.

Wärmeverluste und Betriebskosten von unisolierten Armaturen (Mediums­temperatur 200 °C)

Hinweise zur Tabelle:

• Mediums­temperatur 200 °C
• Berechnung der Rohrleitungswärmeverluste in Anlehnung an VDI 2055 Blatt 1
• Umrechnung der Wärmeverluste der Rohrleitungen in Wärmeverluste der Armaturen mit Längenfaktor 1,6 für isolierte Armaturen und Längenfaktor 2 für unisolierte Armaturen. (Somit ergeben sich deutlich konservativere Wärmeverluste für unisolierte Armaturen und geringere Einsparungen als über die Be­rechnung komplett nach VDI 2055 Blatt 1.)
• Armaturenlänge nach DIN EN 558 Reihe 1

Die Reduzierung der Wärmeverluste durch die Dämmung von Armaturen beträgt bei einer Mediums­temperatur von 200 °C und einer Armatur mit Nennweite DN 100 etwa 550 W. Bei einer Nennweite von DN 150 etwa 1 060 W. Bei Kosten für die Dämmung einer Armatur von 100 ... 200 € amortisiert sich diese innerhalb eines Jahres.

Da in einem kompletten Dampfsystem an vielen Stellen Armaturen benötigt werden, beträgt das Gesamt­potenzial durch Isolierung der Armaturen des Dampf- und Kondensatsystems durchschnittlich etwa 1 ... 5 % des Brennstoffverbrauchs.