Reduzieren Sie die Kühlwassertemperatur mit leistungsstarken, nachhaltigen Wärmeübertragern

Zur Effizienzsteigerung werden Rohrbündel- durch Plattenwärmeübertrager ersetzt

Von Sebastian Schill und Peter Leicht, API Heat Transfer

Der Klimaschutz bei gleichzeitiger Deckung des Energiebedarfs hat für Unternehmen heute höchste Priorität. Viele wollen ihre thermischen Prozesse umweltfreundlich verbessern. Dies bedeutet oft, dass bestehende Produkte durch energieeffizientere und nachhaltigere Produkte ersetzt werden. Da es sich hierbei um Wärmeübertrager handelt, gibt es sehr viele Varianten. Daher ist es wichtig, deren Unterschiede und die spezifische Leistungsfähigkeit jedes einzelnen zu verstehen.

Effizienz ist ein wichtiger Faktor der Nachhaltigkeit, somit ist es sinnvoll, dass die Wärmeübertragungsfläche der Platten oder Rohre in einem Wärmeübertrager mit dem Wärmeübertragungspotenzial des Apparates zusammenpasst. Effiziente Wärmeübertrager sind darauf ausgelegt, die Kontaktfläche zwischen den beiden Fluiden zu maximieren und gleichzeitig den Strömungswiderstand durch den Wärmeübertrager zu minimieren.

Für Kühlzwecke ist die Austrittstemperatur des heißen Mediums die Zielgröße. Die Auswahl des Wärmeübertragertyps und dessen Größe für den jeweiligen Prozess hängt von einer Reihe von Faktoren wie z.B. der Bauart und der Strömungsanordnung ab.

STROMFÜHRUNG

Die Strömungsführung beschreibt die Bewegungsrichtung der Fluide innerhalb des Wärmeübertragers relativ zueinander. Es gibt drei Haupttypen: Gleichstrom, Gegenstrom und Kreuzstrom.

Bei einer Gleichstromanordnung treten zwei Flüssigkeiten am gleichen Ende in den Wärmeübertrager ein und strömen parallel zur gegenüberliegenden Seite. Dadurch kommt das kältere Medium sofort mit dem wärmeren in Kontakt, was anfänglich zu einer schnellen Temperaturänderung führt. Die Einlasstemperaturen der beiden Fluide können erheblich unterschiedlich sein, wobei sie am Ende des Prozesses annähernd die gleiche Temperatur haben können.

Die Wärmeübertragungsrate in einer Gleichstromanordnung ist niedriger als bei anderen Strömungsführungen, daher benötigt diese Anordnung eine größere Wärmeübertragungsfläche. Dies liegt daran, dass das einströmende Kühlmedium, das sich parallel zum heißen Fluid bewegt, über die Länge des Wärmeübertragers allmählich erwärmt wird und dabei stets kälter als das sich abkühlende warme Fluid ist. Daher kann die Austrittstemperatur des kalten Fluids nicht höher als die Austrittstemperatur des warmen Mediums sein. Dies ist ein wesentlicher Nachteil dieser Anordnung.

Eine Gegenstromanordnung ist die vollständige Umkehrung der Gleichstromanordnung. Anstatt die Flüssigkeiten am gleichen Ende eintreten, treten sie an entgegengesetzten Enden ein und fließen in entgegengesetzte Richtungen.

Hierbei verändert sich die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmedium und dem zu kühlenden Fluid über die Länge des Wärmeübertragers weniger stark als beim Gleichstromprinzip, wodurch die thermische Belastung des Apparates erheblich reduziert wird. Da der lokale Temperaturunterschied geringer ist, wird auch die Gefahr der Foulingbildung reduziert

Schließlich gibt es noch die Kreuzstromanordnung, bei der die beiden Fluide senkrecht zueinander strömen. Dies wird typischerweise verwendet, wenn eines der Fluide eine Flüssigkeit und das andere ein Gas ist. Nachteilig ist bei dieser Anordnung jedoch, dass über die Lauflänge quer zur Strömung keine homogene Temperaturdifferenz zwischen dem kalten und warmen Medium vorliegt.

VERGLEICH DER BAUARTEN

In der Vergangenheit war die gebräuchlichste Art von Wärmeübertragern die Rohrbündelkonstruktion, die aus einer Vielzahl von Rohren, die in einem zylindrischen Mantelrohr angeordnet sind, besteht. Bei einem Mantel-und-Rohr-Design strömt eine Flüssigkeit durch die Rohre, während die andere an der Außenseite der Rohre im Mantelraum vorbeiströmt.

Es gibt viele Varianten der Rohrbündelwärmeübertrager. Die Anordnung der Rohre kann in einem Rohrstapel oder in einem entweder schwimmend oder fest montierten Rohrbündel erfolgen. Die runde Geometrien des Mantels und der Rohre eignen sich gut für Druckbehälter. Damit ist diese Bauart eine sehr gute Wahl bei Hochdruckanwendungen. Aufgrund ihrer robusten Konstruktion ist sie auch bei Hochtemperaturanwendungen geeignet. Es können spezielle Werkstoffe wie z.B. Graphit verwendet werden und im Vergleich zu einem gedichteten Plattenwärmeübertrager werden weitaus weniger Dichtungen benötigt.

Rohrbündelwärmeübertrager haben auch ihre Stärke bei Anwendungen mit großen, unterschiedlichen Volumenströmen auf der warmen und kalten Seite.

Im Allgemeinen ist das Strömungsmuster in einem Rohrbündelwärmeübertrager eine Kombination aus Kreuzstrom-, Gleichstrom- und Gegenstromanordnungen.

Obwohl das Rohrbündel-Design viele Vorteile hat, ist es in der Regel nicht die effizienteste oder umweltfreundlichste Wämreübertragerbauart.

Eine andere Bauform ist der Plattenwärmeübertrager, der i.d.R. eine Gegenstromanordnung aufweist. Bei dieser Konstruktion bilden eine Reihe von profilierten Platten anstelle von Rohren Strömungskanäle für die Flüssigkeiten. Wenn die Flüssigkeiten durch die Kanäle strömen, bewegen sie sich über die Wärmeübertragungsfläche. Da die Platten wenig Platz einnehmen, aber eine große Oberfläche schaffen, benötigen Plattenapparate im Vergleich zu einer Rohrbündelkonstruktion deutlich weniger Stellfläche.

Die profilierten, engen Plattenspalte erzeugen hohe Turbulenzen und damit hohe Wärmeübertragungsraten. Daher benötigen Plattenwärmeübertrager grundsätzlich weniger Wärmeübertragungsfläche. Durch die kompakte Bauweise wird auch der umbaute Raum eines PWÜs minimiert. Speziell konstruierte Verteilersegmente in den Plattengeometrien sorgen für eine homogene Beaufschlagung der Plattenspalte, wodurch Toträume und damit unerwünschte Verschmutzungen vermieden werden können.

EIN NÄHERER BLICK AUF PLATTENWÄRMEÜBERTRAGER

Plattenwärmeübertrager werden in einigen Anwendungen aufgrund ihrer Kompaktheit, Wartungsfreundlichkeit und Effizienz anstelle von Rohrbündelkonstruktionen verwendet. Ein Plattenbündel wird in der Regel mit Dichtungen oder dichtungslos (geschweißt) je nach Verwendungszweck und Fluide ausgeführt. Fortschritte in der Dichtungs- und Schweißtechnologie haben die Anwendungen der Plattenwärmeübertrager immer weiter ausgedehnt. Geschweißte Plattenwärmeübertrager können in Hochtemperatur- und Hochdruckanwendungen eingesetzt werden. Sie zeigen ihre größten Vorteile in Anwendungen mit Flüssigkeiten, können aber auch für Gas und Gas-Flüssigkeits-Gemische verwendet werden.

Darüber hinaus sind Temperaturüberschneidungen und kleine Temperaturdifferenzen mit höheren Wärmeübergangskoeffizienten und einer Gegenstromanordnung möglich.

Die Plattenkonstruktionen sind in verschiedenen Größen und Breiten erhältlich und werden aus einer Reihe von Werkstoffen hergestellt, darunter sind neben Edelstahl auch Nickel- und Titanlegierungen. Die Leistungsfähigkeit der Apparate kann durch Veränderungen der Profilierungen in eine oder beide Richtungen verbessert werden. Dies kann sowohl die Oberfläche vergrößern, aber auch Turbulenzen erzeugen, um u.a. die Wärmeübertragungsrate zu erhöhen. Einige spezielle Wellenstrukturen können einen so hohen Turbulenzgrad über die gesamte Plattenlänge gewährleisten, dass auch die Foulingbildung reduziert werden kann, was dann später auch eine Erleichterung bei der Reinigung nach sich zieht.

Moderne Dichtungsdesigns in geschraubten Plattenwärmeübertragern erlauben eine kleberfreie Befestigung auf den Platten und trägt damit dazu bei, den Service, die Montage und Reinigung zu erleichtern. Bei geschraubten Druckgestellen wird die Wärmeübertragungsfläche nachdem dem Entfernen der seitlichen Spannschrauben und dem Zurückrollen der beweglichen Druckplatte für Inspektion oder eine mechanische Reinigung zugänglich. Ein weiterer Vorteil der geschraubten Plattenwärmeübertragern besteht darin, dass sie durch Hinzufügen oder Entfernen von Platten auf neue Anwendungen optimiert werden können. Auf diese Weise können Betreiber die Kapazität an sich ändernde Anforderungen anpassen, während das vorhandene Druckgestell beibehalten werden kann. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber Rohrbündelapparaten, bei denen die Kapazität auf das bei der Installation definierte Niveau festgelegt ist.

Aufgrund der kompakten Bauweise von Plattenwärmeübertragern sind Transport-, Montage- und Installationskosten in der Regel niedriger als bei Rohrbündelwärmeübertragern. Hochwertige Plattenwärmeübertrager können bei geringem Wartungsaufwand mehr als 10 Jahre effizient arbeiten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass energieeffiziente Produkte in Zeiten gestiegenem Umweltbewusstseins und Nachhaltigkeitsinitiativen helfen können, die damit verbundenen Ziele der Unternehmen zu erreichen. Das Ersetzen von Rohrbündelwärmeübertragern durch Plattenapparate kann im Laufe der Zeit zu mehr Energieeffizienz und Kosteneinsparungen führen. Die Gegenstromanordnung von Plattenwärmeübertragern ist effizienter als die bei Rohrbündelwärmeübertragern. Je nach Durchflussmenge und Temperatur kann sich die Wärmeübertragungsleistung aufgrund der geringeren Annäherungstemperaturdifferenzen eines Plattenwärmeübertragers verbessern. Neben einer erhöhten Energieeffizienz verbraucht ein Plattenwärmeübertrager weniger Kühlwasser und damit auch geringere Pumpenenergie.