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Stellschrauben für effiziente Druckluftverwendung

Von der Erzeugung über die Aufbereitungund Verteilung bis zum Verbraucher

„Der richtige Dreh … … zum Energiesparen“

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1 Cent 5 Euro

1 Euro 10 Euro

Ca. 90 % der Anwender können diese Frage nicht beantworten.

Kennen Sie die Kosten, um 1 m³ Druckluft zu erzeugen?

DruckluftDer Energieträger für den universellen Einsatz

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Druckluftsysteme richtig betreiben Betrachtung des Gesamtsystems

Falsch:Sich nur auf einzelne Komponenten der Druckluftstationkonzentrieren – vor allem nur auf den Kompressor.

Richtig:Das System als Ganzesbetrachten.

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Kostenverteilung Kostenstruktur in optimierten Druckluftstationen

BerechnungsbasisStromkosten: 0,08 €/kWhBetriebsüberdruck: 7,5 barLaufzeit: 5 JahreLuftkühlungZinssatz: 6 %

Druckluftqualität: Öl 1(nach ISO 8573-1) Staub 14.000 Bh, 20 m³/min Wasser 4Inbetriebnahme/Schulung

Kondensataufbereitung gesamt

Installationskosten/Steuerungsleittechnik

Investitionskosten Aufbereitung

Investitionskosten Kompressoren

Wartungskosten Aufbereitung

Wartungskosten Kompressoren

Energiekosten Aufbereitung

Energiekosten Kompressoren

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Druckluft-station

Produktion

Übersicht: Auffälligkeiten …… in Druckluftstationen und Produktionsräumen

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Einsparpotenziale von DruckluftstationenWie lässt sich Energie einsparen?

Energieanteil Kompressoren

ca. 10 %

ca. 10 %

ca. 6 - 10 %

ca. 2 %

Weitere Einsparmöglichkeiten durch Wärmerückgewinnung

optimierte Druckluft- und Kondensataufbereitung

Optimierung der Bauteile(Motor, Kompressor, Kühler, Filter, Ventile)

optimale Auslastung durch moderne Steuerungen im Kompressor und zur übergeordneten Koordination

Leckagereduktion durch Sanierung des Druckluft-netzes und Absenkung des mittleren Betriebsdrucks

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Leckagereduktion durch Sanierungdes Druckluftnetzes und Absenkung

des mittleren Betriebsdrucks

„Der richtige Dreh … … zum Energiesparen“

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Beispiel:Lochdurchmesser: 2 mm bedeutet einen Luftverlust von 0,257 m3/min bei 6 bar (ü)

0,257 m3/min x 60 min/h = 15,42 m3/h15,42 m3/h x 8.760 h/Jahr = 135.080 m3/a135.080 m3/Jahr x (7 kW/(m³/min) / 60 (min/h)) x 0,15 €/kWh = 2.364.- €/Jahr

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

Leckagen reduzierenLeckage-Verluste kosten viel Geld

0,0650,2571,032,31

1 mm2 mm4 mm6 mm

0,461,807,2116,17

604,-2.364,-9.474,-

21.247,-

* Strompreis: 0,15 €/kWhAngenommene spezifische Leistung des Kompressors: 7 kW/(m³/min)

Lochdurchmesserentsprechende

Größe

Luftverbrauchbei 6 bar (ü)

m3/min

Verlust

kW €/Jahr*)

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Dem Leitungsverlauf folgend "horcht" man die Leitungen ab. Leckagegeräusche werden verstärkt, Leckstellen können so punktgenau geortet werden.

Durch die Intensität kann die Größeder Leckage eingeschätzt werden.- Einzelleckage- Summenbildung

Eine weitere Möglichkeit ist die Ermittlung der Leckagerate über die Messung durch Druckbehälter-Entleerungszeiten.

Leckagen messen Detektion und Auswertung mit Ultraschall

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Druckabfall entsteht durch: zu kleine Dimensionierung

der Druckluftleitung

nicht linearen Verlauf der Druckluftleitung

Anschlüsse und Verbindungen

Turbulenzen

sehr lange Rohrleitung

Reibung an den Wandungen

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

Druckabfall vermeiden …… im Rohrleitungsnetz

Druckabfall vermindert die Leistung des Druckluftverbrauchers bzw.erhöht die Kosten der Drucklufterzeugung und damit der Produktion!

% kW

verfügbare Leistung

Betriebsdruckbar (ü)

6,0 100 3,0

5,5 86 2,6

5,0 74 2,2

4,5 62 1,9

4,0 52 1,6

Leistungsverlust eines Werkzeugsdurch Druckabfall

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Beispiel: V = 7 m3/minerfordert bei 6 bar (ü) 37 kW zur Erzeugung

Bei 7 bar (ü) benötigt man ca. 6 % mehr Leistung= 2,2 kW mehr für die Erzeugung der Druckluft

Mehrkosten:2,2 kW x 0,15 €/kWh x 4.000 h/Jahr = 1.332.- €/Jahr

Rohrleitungsnetz:Bei gut ausgelegten Druckluftnetzen rechnet man mit einem Druckabfallfür das Rohrleitungsnetz von 0,1 bar.

Betriebsdruck z. B. für Druckluftwerkzeuge 6 bar (ü)

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

Druckabfall vermeidenKompensation des Druckabfalls durch Druckerhöhung ist teuer!

Für niedrige Betriebsdrücke, z. B. 3 bar (ü), bedeutet ein Druckabfall von 0,1 bar jedoch einen relativ höheren Energieverlust als in einem 7-bar (ü)-Druckluftnetz.

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0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

20 40 60 80 100 120

DN 40DN 50

Dimensionierung von Druckluftleitungen Mindestdurchmesser

Richtige Dimensionierung nach:

Durchfluss Auslegungsdruck Länge Material

Beispiel: 10 m³/min bei 7 bar

Berechnung über die Toolbox im Internet unter:

„Online Services“ auf www.kaeser.de oder www.kaeser.com

Druckverlustin bar

Leitungs-längein m

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Leckagen reduzieren

Druckverlust im Rohrsystem max. 1,5 % des Netzdrucks

Rohrleitungen richtig dimensionieren (Druckabfall vermeiden)

Zusammenfassung: Leckagereduktion durch Sanierung des Druckluftnetzesund Absenkung des mittleren Betriebsdrucks

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Optimale Auslastung durch moderne Steuerungen im Kompressor und zur

übergeordneten Koordination

„Der richtige Dreh … … zum Energiesparen“

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Optimale Auslastung von KompressorenInterne und übergeordnete Steuerungen

interne Steuerung übergeordnete Steuerung

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

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Leistungsverluste eines KompressorsInterne Steuerung mit Last-/Leerlauf-Regelung

Darstellung eines Schaltzyklus

Schaltverluste

(1) Motoranlauf (6-12 sec)(2) interner Druckaufbau (1-6 sec)(3) Entlüftung (10-15 sec)

Regelverluste

(4) Leerlauf (4-15 min)

Last

(1) (2) (3) (4)

Pelektr

t

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Leistungsverluste eines Kompressorsmit Frequenzregelung

100 %

t

Leistungsaufnahme des Kompressors ohne Verluste

Blockverluste

FU-Verluste

Liefermenge

spezifische LeistungLeistung

100 %

t

Liefermenge

+ 5 % FU-Verluste

40 %

80 %

Block-Effizienzkurve

energetisch optimaler SFC-Regelbereich

Peter Löhden

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FU-Verluste und spezifische Verluste

P/Pmax

100 %

20 %

last-/leerlaufgesteuerte Anlagen

tP/Pmax

100 %

40 %

t

80%

optimaler SFC-Arbeitsbereich

Energiebedarf des dargestellten Zyklus in %

Vergleich der Regelungen für KompressorenFrequenzregelung und Last-/Leerlaufregelung im Teillastbetrieb

V

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Übergeordnete Steuerungen Anlagenkonzepte:

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

16 m³/min +16 m³/min Standby

2 x 8 m³/min +8 m³/min Standby

2 x 4,5 m³/min + 8 m³/min +8 m³/min Standby

1,6-6,3 m³/min + 3,9 m³/min + 5,7 m³/min5,7 m³/min Standby

~40%

~60%

~95%

~95%

Volllast-anteil

Anlagensplittung je nach Luftbedarf:1. Schicht 15 m³/min2. Schicht 9 m³/min3. Schicht 4 m³/min

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höchstmögliche Wirtschaftlichkeit der Kompressoren

Einhaltung der Druckuntergrenze

automatische Optimierung der Kompressorauswahl

automatische Anpassung an die Verbrauchersituation

Kostentransparenz

Kostenstellenbericht auf Knopfdruck (für Energieaudits)

Zusammenfassung: Optimale Auslastung durch moderne Steuerungen imKompressor und zur übergeordneten Koordination

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Optimierung der Bauteile: Neue Motorengeneration IE 3

„Der richtige Dreh … … zum Energiesparen“

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Neue Motoren-Generation IE3Motor mit höchstem Wirkungsgrad nach IE3

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IE3 = höchste Wirtschaftlichkeit (Norm IEC 60034-30)

Diese Premium-Efficiency-Klasse wird ab dem 01.01.2015Pflicht in der EU.

KAESER hat bereits ab dem Jahr 2010 mit der Umrüstung begonnen.

Energieeffizienz in der AntriebstechnikMotor mit höchstem Wirkungsgrad nach IE3

VORTEILE:

weitere Verbesserung der Effizienz derDruckluft-Erzeugung

größerer Beitrag zum Umweltschutz

reduzierte Energiekosten

Steuerersparnisse

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Energieeffizienz in der AntriebstechnikIE-Motoren (IE = International Standard)

IE1 = Standard-Wirkungsgrad (vergleichbar EFF2)

IE2 = hoher Wirkungsgrad (vergleichbar EFF1, EPACT)

IE3 = Premium-Wirkungsgrad

Hinweis:

Ab 16. Juni 2011 müssen die Motoren die Energieeffizienzklasse IE2 einhalten.

Ab Januar 2015 ist in der Leistungsklasse 7,5 – 375 kW und

ab Januar 2017 für Motoren mit 0,75 – 375 kW die Energieeffizienzklasse IE3 einzuhalten.

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Optimierte Druckluft- und Kondensataufbereitung

„Der richtige Dreh … … zum Energiesparen“

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DruckluftqualitätDruckluft sollte immer aufbereitet werden

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

Durch die Verdichtung konzentrieren sich Verunreinigungen auf ein Vielfaches.

Die Folgen schlecht aufbereiteter Druckluft können sein:Korrosion und beschädigte Druckluftwerkzeuge.

atmosphärische Luft

verdichtet auf 7 bar (ü)

Bildquelle:BAM, Bundesanstaltfür Materialforschung und –prüfung, Berlin

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Energiesparregelung von KältetrocknernKältetrockner mit Aussetzregelung

1. Große Energieeinsparungen möglich.

2. Möglichst große thermische Speichermasse erforderlich („Kältespeicher“).

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

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Energiesparregelung von KältetrocknernVergleich der Regelungsarten

Peter LöhdenDruckluft im Betrieb effizient nutzen

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9

M

DL-Eintritt 35 C, DTP 35 C,rel. Feuchte 100 %

DL-Austritt, ca. 28 CDTP – 40 Crel. Feuchte 0,4 %

DL-Temp. 3 C DTP 3 Crel. Feuchte 100 %

DL-Temperatur ca. 5 C, DTP -40 Crel. Feuchte 14,8 %

Drucktaupunkt bis -40 C: Kondensation + Sorption Kombinationstrockner – Aufbau und Funktionsweise

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

bis zu 67% weniger Energiekosten

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TrocknungsmethodenSpezifische Kosten der Drucklufttrocknung

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

Die richtige Auswahl des Trockners und des Drucktaupunkts entscheidet über die Kosten. Höhere Investitionen amortisieren sich

durch niedrigere Betriebskosten.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0,1 4 18 72

Kältetrockner (+3°C)

Membrantrockner (-10°C)

Adsorptionstrockner kalt regeneriert (-40°C)Kombinationstrockner (-40°C)

Adsorptionstrockner warm regeneriert (-40°C)

Berechnung mit durchschnittlicher spezifischer Leistung des Kompressors: 6,5 kW/m³/min

bei 7 bar; Umgebungstemperatur: 25 C; Energiekosten: 0,15 €/kWh

Nutzbarer Volumenstrom (m³/min)

Ene

rgie

kost

en T

rock

nung

(€/1

000m

³)

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Filtration: DruckluftfilterFür jeden Bedarf den passenden Filter

Druckluft im Betrieb effizient nutzen

Vorfilter FB und FC (> 3 bzw. 1 μm) für Feststoffpartikel und höhere/niedrigere Kondensatmengen

Staubfilter FD (> 1 μm) für Feststoffpartikel

Mikro-Feinfilter FE (> 0,1 μm) für feine Feststoffpartikel, Kondensattröpfchen und Ölaerosole

Mikro-Feinstfilter FF (> 0,1 μm) für feinste Feststoffpartikel, feinste Kondensattröpfchenund Ölaerosole

Aktivkohlefilter FGzur Abtrennung von Spuren von Öl und adsorbierbaren Kohlenwasserstoffen

Mikrofilterkombination FFGKombination FF und FG Filter

Peter Löhden

Wartungsanzeige für Filterwechsel(Option: Filtermonitor mit LCD-Anzeige)

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FiltrationDruckabfall durch Filtration

Druckabfall Δp durch den Filter:

bei neuen Filterelementen: 0,02 – 0,2 bar

Wechsel des verschmutzten Filters bei 0,3 – 0,5 bar

Betriebsstunden variabel, je nach Beladung

00,20,40,60,8

11,21,41,6

0 1000 2000 3000 4000 Bh

bar

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Kondensat enthält …

Öl Schmutzpartikel (z. B. Rost) und kann aggressiv sein.

Korrosion, Betriebsstörungen

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

Kondensatanfall in der Druckluftstation

Folgen

Zuverlässige Ableitung des Kondensatsist notwendig.

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Eigenschaften:

kapazitive Niveauerfassung automatische Druckanpassung selbstständige Überwachung, mit

potenzialfreiem Störmeldekontakt

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

Arten von KondensatableiternElektronisch niveaugeregelte Kondensatableiter

KondensateintrittSammelbehälterNiveausensorMagnetventilVorsteuerleitungVentilmembraneVentilsitzAuslaufleitung

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KondensataufbereitungWarum Kondensataufbereitung?

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

Kompressoren, gleich welcher Bauart, saugen Luftverunreinigungen an und konzentrieren sie auf ein Vielfaches.

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Enthaltene Schadstoffe und Mineralölesind biologisch schwer abbaubar.

Die Folge: erhöhte Umweltbelastung!

§ 7a Wasserhaushaltsgesetz:

„Schadstoffhaltiges Wasser muss nach den ‚allgemein anerkannten Regeln der Technik‘ aufbereitet werden“.

Druckluft im Betrieb effizient nutzenPeter Löhden

KondensataufbereitungGesetzliche Vorgaben

Gesetzliche Grenzwerte für alle Schadstoffe und den ph-Wert;für Kohlenwasserstoffe max. 20 mg/l

(gegebenenfalls durch regionale Vorschriften niedrigerer Grenzwert)

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Für bestimmte Druckluftqualität ist immer eine Druckluftaufbereitung notwendig, unabhängig von der Verdichterbauart.

Jede Anwendung hat eigene Anforderungen an die Druckluftqualität.

Die wichtigste Reinigung stellt die Drucklufttrocknung dar (z. B. durch Kältetrockner).

Drucktaupunkt immer nach Notwendigkeit wählen (Kosten- Energieaufwand).

Filter richtig auslegen und regelmäßig warten.

Für „technisch ölfreie“ Druckluft wird immer eine Aktivkohlestufe benötigt.

Im Kondensat finden sich alle Verschmutzungen der angesaugten Luft.

Ohne sichere Ableitung kann Kondensat zu gravierenden Schäden führen.

Kondensat von fluidgekühlten Verdichtern muss aufbereitet werden.

Zusammenfassung:Optimierte Druckluft- und Kondensataufbereitung

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Einsparmöglichkeiten durch Wärmerückgewinnung

„Der richtige Dreh … … zum Energiesparen“

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Wärmerückgewinnung bei Schraubenanlagen … … senkt die Kosten und schont die Umwelt

Peter Löhden

Zusätzlich Kosten einsparen und die Umweltentlasten – mit Wärmerückgewinnung

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Wärmerückgewinnung bei Schraubenanlagen Wärmefluss 25 %

Umgebungswärme100 %

gesamte elektrische Leistungsaufname

ca. 2 % Wärmeabgabe

der Kompressoranlagean die Umgebung

ca. 2 % Wärmeleistung, die in der

Druckluft verbleibt

ca. 5 % Abwärme vomAntriebsmotor

ca. 76 % durch die Kühlung

des Fluids rück-gewinnbare

Wärmeleistung

ca. 96 % für Wärmerückgewinnung nutzbare Wärmeleistung

25 %Energie-potenzialDruckluft

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96 % der elektrischen Leistungsaufnahme sind nutzbar.

UmluftZuluft

Winter – HeizenSommer – Abluft

Raumheizung durch AbluftwärmeEinsparungen durch Warmluftheizung

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Nutzbare Wärmeleistung in der Warmluft:

= 96 % der gesamten Leistungsaufnahme= 0,96 x 45,0 kW = 43,2 kWEinsparung:nutzbare Energie x Laststunden x HeizölpreisHeizwert des Öls x Heizungswirkungsgrad

43,2 kW x 1.000 h x 0,50 €/l9,87 kWh/l x 0,9

2.432,- € bei 1.000 Laststunden pro Jahr

Rechenbeispiel: luftgekühlter Schraubenkompressor BSD 72 (37 kW)

Verdichterwellenleistung:Motorwirkungsgrad:Heizperiode:Verdichterlastlaufzeit:Heizölpreis:Heizwert des Öls:

Heizungswirkungsgrad:

gesamte elektr.Leistungsaufnahme:

41,3 kW0,94125 Tage8 Stunden/Tag0,50 €/l35,5 MJ/l = 9,87 kWh/l(1 MJ= 0,278 kWh)0,9

45,0 kW

Raumheizung durch AbluftwärmeEinsparungen durch Warmluftheizung

Einsparung bei 1000 Laststunden: ca. 66,- € pro installiertem kW Kompressorleistung

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Brauchwasser-Kreislauf

Plattenwärmetauscher

Kühlfluid-Kreislauf des Kompressors

nutzbare Wärme

WarmwassernutzungEinsparung durch Warmwasserheizung

76 % der elektrischen Leistungsaufnahme sind nutzbar.

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WarmwassernutzungEinsparung durch Warmwasserheizung

Nutzbare Wärmeleistungzur Erwärmung von Industriewasser:= 76 % der Aufnahmeleistung= 0,76 x 45,0 kW = 34,2 kWEinsparung:nutzbare Energie x Laststunden x HeizölpreisHeizwert des Öls x Heizungswirkungsgrad

34,2 kW x 1.000 h x 0,50 €/l9,87 kWh/l x 0,9

1.925,-- € bei 1.000 Laststunden pro Jahr

Rechenbeispiel: luftgekühlter Schraubenkompressor BSD 72 (37kW)

Einsparung bei 1000 Laststunden: ca. 52,- € pro installiertem kW Kompressorleistung

Verdichterwellenleistung:Motorwirkungsgrad:Heizperiode:Verdichterlastlaufzeit:Heizölpreis:Heizwert des Öls:

Heizungswirkungsgrad:

gesamte elektr.Leistungsaufnahme:

41,3 kW0,94125 Tage8 Stunden/Tag0,50 €/l35,5 MJ/l = 9,87 kWh/l(1 MJ= 0,278 kWh)0,9

45,0 kW

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Zusammenfassung:Einsparmöglichkeit durch Wärmerückgewinnung

1. Jeder Kompressor erzeugt Wärme bis zu 96 % der aufgenommenen Energie.

2. Die Abwärme kann direkt durch Umleiten der Abluft zur Raumheizung genutzt werden.

3. Die Abwärme kann auch indirekt mittels Wärmetauschern zwischen Kühlfluid und zu erwärmendem Nutzwasser genutzt werden.

4. Bei trockenlaufenden Schraubenkompressoren lässt sich die Abwärme mittels Luft- und Schmieröl-Wärmetauschern nutzen.

5. Sicherheitswärmetauscher sind bei direkter Nutzung des mittels Wärmerückgewinnung erwärmten Wassers erforderlich.

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Stellschrauben für effiziente Druckluftverwendung

Haben Sie ein Auge auf Ihr gesamtes Druckluftsystem!

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