Eine zukunftsträchtige Kombination

Die auf kleinem Raum besonders große Wärmeübertragungsfläche und ein sehr guter Wärmeübergang durch optimierte Strömungsbedingungen zeichnen die Plattenwärmeübertrager gegenüber üblichen Rohrbündel-Apparaten aus. Beim Einsatz geschraubter und gedichteter Plattenwärmetauscher bieten sich zudem die Vorteile, den Tauscher leicht reinigen und inspizieren zu können. Auch ist eine Erweiterung bei geänderten Leistungsbedingungen möglich. Dass das jetzt auch mit Dampf gut funktioniert, zeigen die anschlussfertig verrohrten und verkabelten EasiHeat-Wärmeübertragerstationen.

Um den energetisch besonders vorteilhaften Dampf sicher mit Plattenwärmeübertragern einsetzen zu können und um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, muss der Plattenapparat einige konstruktive Besonderheiten aufweisen:

Übliche Wasser/Wasser-Wärmetauscher sind für den Dampfeinsatz definitiv nicht geeignet.

Viel zu wenig Beachtung wird den Rahmenbedingungen geschenkt, unter denen Wärmetauscher arbeiten. Ob Platten- oder Rohrbündelwärmeübertrager, die Lebensdauer der Apparate ist ganz wesentlich eine Frage der Anlagenausrüstung, die in der Lage sein muss, die Betriebsbedingungen abzudecken.

Es ist weniger der Druck, der die entscheidende Rolle spielt, als vielmehr die Leistung und die Temperatur. Die Leistung hängt natürlich mit dem zur Verfügung stehenden Dampfdruck zusammen, entscheidender sind aber oft die Verhältnisse auf der Sekundärseite. Gerade beim Plattenwärmeübertrager gibt es durch die unterschiedliche Prägung der Platten und deren variable Anzahl einige Variationsmöglichkeiten. Einen ganz wesentlichen Einfluss hat dabei die Strömungsgeschwindigkeit, da von ihr nicht nur der Wärmeübergang (turbulente zu laminarer Strömung) sondern auch die Anfälligkeit für Verschmutzung abhängt.

Die maximale Betriebstemperatur hat Auswirkung auf die Lebensdauer des Dichtungsmaterials, da Elastomere abhängig von der Temperatur mehr oder weniger schnell aushärten. Dabei ist gerade die Verwendung gedichteter Plattenwärmeübertrager vorteilhaft, da die Apparate gereinigt und inspiziert werden können. Außerdem sind sie erweiterbar, wenn der Leistungsbedarf steigt. Die maximale Temperatur ist dabei übrigens nicht die ursprüngliche Dampftemperatur, da über das Regelventil entsprechend Druck abfällt. Reicht das zur Begrenzung nicht aus, kann eine zusätzliche Druckreduzierung eingesetzt werden. Für geschraubte und gedichtete Plattenwärmeübertrager stehen heute temperaturstabile Dichtungen zur Verfügung. Trotzdem, die Lebensdauer einer Dichtung ist immer abhängig von ihrer Belastung ? vor allem von der Temperatur und den Temperaturschwankungen. Bei der Auswahl des Wärmetauschers und bei der Auslegung der Regeleinrichtung sind daher unbedingt der Dampfdruck bzw. die Dampftemperatur zu berücksichtigen. In vielen Fällen ist es sinnvoll, die Lebensdauer durch den Einsatz eines zusätzlichen Druckregelventils zu verbessern.

In den meisten Anwendungsfällen ist es nicht möglich, das Kondensat aus dem Wärmetauscher frei ablaufen zu lassen. Das Kondensat wird also in ein Kondensatnetz geführt und hier gilt: in jedem Kondensatnetz gibt es Gegendruck. Der Druck auf der Primärseite des Wärmetauschers muss immer höher sein als dieser Gegendruck, da sonst der Apparat nicht richtig entwässert werden kann.

Erste Hilfe wird in der Praxis durch den Einsatz eines Vakuumbrechers gesucht. Tatsächlich sorgt dieses kleine Gerät aber nur für Atmosphärenbedingungen und kann bei selbst kleinem Gegendruck aus dem Kondensatnetz das Problem nicht beseitigen.

Um es ganz drastisch zu formulieren: eine Anlage, bei der die Druckverhältnisse nicht stimmen, wird nie völlig problemlos arbeiten und die Lebensdauer kann in Extremfällen auf wenige Monate reduziert sein ? unabhängig ob ein Rohrbündel- oder ein Plattenwärmetauscher eingesetzt wird. Die einzig sinnvolle Anlagenausrüstung besteht deshalb in der Verwendung eines aktiven Kondensatableiters. Bei normalen Druckbedingungen arbeitet dieses Gerät wie ein Kondensatableiter. Ist die Entwässerung aufgrund der Druckverhältnisse nicht mehr gewährleistet, tritt die Heberfunktion des aktiven Kondensatableiters in Kraft und pumpt das Kondensat mithilfe von Frischdampf aus dem Wärmetauscher. Zusätzliche Hilfsenergie wird nicht benötigt.

Starke Lastschwankungen z. B. zwischen Winterbetrieb, Übergangszeit und Sommerbetrieb haben Auswirkungen auf alle beteiligten Geräte. Andere starke Veränderungen der Last ergeben sich, wenn große Flüssigkeitsmengen zuerst aufzuheizen sind (maximale Leistung), dann aber die Temperatur nur noch gehalten werden muss (minimale Leistung) oder aber bei Flüssigkeitsentnahme lediglich die abfließende Energie auszugleichen ist (mittlere Leistung).

Der Wärmetauscher wird üblicherweise auf maximale Last ausgelegt, bei Teillast funktioniert die Entwässerung nicht mehr optimal, da beim dampfseitig geregelten Apparat nicht mehr genug Druck vorhanden ist, um das Kondensat aus dem Apparat zu drücken. Bei Teillast sinken die Strömungsgeschwindigkeiten im Wärmetauscher, die Strömung wird weniger turbulent, es kommt zur Absetzung von Feststoffen auf der Sekundärseite, der Wärmeübergang wird schlechter.

Das Regelventil wird ebenfalls auf maximale Last ausgelegt. Sinkt die zu regelnde Dampfmenge im Teillastbetrieb stark ab, kann die Regelgüte beeinträchtigt werden. Ständiges Regeln im kleinsten Öffnungsbereich des Ventils führt zu Vibrationen und zur Berührung von Ventilteller und Ventilsitz mit der Folge, dass die Lebensdauer sinkt.

Es ist sinnvoll, sich bereits im Vorfeld einer Anlagenplanung über die Lastschwankungen Gedanken zu machen. Sind sie sehr groß, lohnt es sich, ein Bypass-System in Erwägung zu ziehen. Auf der Sekundärseite wird dabei ein 3-Wege-Verteilventil eingesetzt, das lastabhängig nur noch einen Teil des Massenstroms durch den Wärmetauscher leitet. Der Wärmetauscher selber arbeitet dabei immer im hohen Lastbereich, die Solltemperatur ergibt sich aus der Mischtemperatur nach dem 3-Wege-Ventil. Insgesamt sinken die Kosten für den Wärmetauscher, da eine kleinere Ausführung gewählt werden kann. Bei einer derartigen Anlagenausrüstung müssen allerdings zwei besonders wichtige Rahmenbedingungen beachtet werden:

Alternativ können auch Plattenwärmeübertrager kondensatseitig geregelt werden. Dabei befindet sich das Regelventil nicht im Dampfeingang vor, sondern im Kondensatausgang nach dem Wärmetauscher, gefolgt von einem Kugelschwimmer-Kondensatableiter. Kondensat staut bewusst in den Wärmetauscher zurück und verändert die Wärmeaustauschfläche. Trotzt dieses Rückstaus kommt es bei richtiger Auslegung der Komponenten nicht zu Dampfschlägen oder Geräuschbildung. Dafür werden aber eine Reihe möglicher Probleme wie Gegendruck aus dem Kondensatsystem und Nachverdampfung vermieden. Zusätzlich wird die Energieausbeute um bis zu 15% besser und die Anlagenausrüstung wird günstiger. Wichtigste Voraussetzungen für eine lange Lebensdauer bei dieser Regelungsart sind, dass der Sekundärdruck immer über dem Dampfdruck liegt und die Temperatur auf der Primärseite so begrenzt ist, dass es zu keiner Schädigung des Dichtungsmaterials kommt.

Plattenwärmetauscher reagieren sehr viel schneller auf eine Regelung als z.B. Rohrbündelwärmetauscher. Aber nicht immer ist Schnelligkeit von Vorteil. Aufgrund der energetisch besonders kleinen Bauform und der geringen Masse des Plattenapparates tritt nur sehr wenig Energieverlust auf. Beim schnellen Abschalten der Wärmeübertragung kommt es aber dazu, dass viel Energie im System zurückbleibt und es daher zur Überhitzung der Sekundärseite führen kann. Bei den EasiHeat-Stationen von Spirax Sarco ist deshalb eine interne Zwangsumwälzung vorgesehen, alternativ kann diese Umwälzung auch durch den Sekundärkreislauf selber erfolgen.

Mit Inkrafttreten der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) im Oktober 2002 wurde den Unternehmern mehr Verantwortung für die Sicherheit des Betriebes übertragen. Vorgeschrieben sind Prüfungen nach

Das bedeutet, dass ein Druckbehälter erstmalig und nach einer wesentlichen Veränderung nur in Betrieb genommen werden darf, wenn er unter Berücksichtigung der vorgesehenen Betriebsweise durch eine zugelassene Überwachungsstelle oder befähigte Person auf seinen ordnungsgemäßen Zustand hinsichtlich der Montage, der Installation, den Aufstellungsbedingungen und der sicheren Funktion geprüft worden ist. Wer diese Prüfung durchführen darf, richtet sich nach der Einstufung des Druckbehälters gemäß DGRL. Entsprechendes gilt für den Betrieb: wiederkehrende Prüfungen sind notwendig und die Zeiträume vom Betreiber festzulegen; die Betriebssicherheitsverordnung gibt nur maximale Zeiträume vor. Für EasiHeat-Stationen mit gedichteten Plattenwärmeübertragern entfallen beide Prüfungen gem. §17 Anhang 5.

Während eine wiederkehrende Prüfung für den Wärmeübertrager nicht erforderlich ist, gilt für die komplette Station aber weiterhin die Druckgeräterichtlinie. Es reicht dabei nicht aus, dass der Wärmeübertrager mit dem CE-Kennzeichen versehen ist und eine Konformitätserklärung vom Hersteller vorliegt. Die gesamte Station gilt als Baugruppe und damit als CE-kennzeichnungspflichtig, es muss daher eine Konformitätserklärung für die komplette Station vorliegen.

Der Bau der EasiHeat-Stationen erfolgt daher nach Druckgeräterichtlinie mit CE-Kennzeichnung, eine wiederkehrende Prüfung ist nicht notwendig.

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