GC-turb steht für die Erzeugung turbulenter Strömungen an der Rohrwand elektrisch beheizter Fluide. Ziel der Entwicklung war es, den Wärmetransport vom Heizstab ins Medium zu verbessern und die Kosteneffizienz bei der Erwärmung von Fluiden in Wärmeträgeranlagen zu erhöhen. Konstruktive Basis ist ein Rillenprofil auf der wärmeübertragenden Oberfläche, das die laminare Strömungsgrenzschicht unterbricht. Die Sekundärströmungen verstärken die Konvektion und mindern Ablagerungen an der Heizfläche. In der Praxis hat sich diese Technologie als sehr wirkungsvoll erwiesen.
Sven Gebhard
Der von GC-heat entwickelte und patentierte elektrische Rohrheizkörper GC-turb optimiert die Wirtschaftlichkeit thermischer Prozesse in der Verfahrenstechnik. Dies wird durch eine Reduzierung der treibenden Temperaturdifferenz zwischen der Heizstaboberfläche und dem Medium realisiert. Mit Unterstützung durch den im Bereich der Wärmeübertragung forschenden Prof. Dr. Jovan Mitrovic wurde die Entwicklung in Waldbröl vorangetrieben. Die Ergebnisse eines Langzeit-Praxistests in einer Wärmeträgerölanlage übertreffen sogar die Entwicklungsziele dieses Produkts.
Vorteile von Wärmeträgeranlagen
Für die Erwärmung von Werkzeugen in Produktionsanlagen hat sich neben der direkten Temperierung die indirekte Temperierung mithilfe von Wärmeträgeranlagen weiter durchgesetzt. Während man bei der konventionellen direkten Temperierung mit elektrischen Heizelementen oder Flammenabgasen erwärmt und für die Kühlung einen zweiten Medienkreislauf installieren muss, benötigen Wärmeträgeranlagen nur einen einzigen Zwischenkreislauf, um Erhitzer und Wärmeverbraucher zu verbinden. Solche Anlagen werden beispielsweise in vielen Herstellungsprozessen der Papier-, Textil- und Druckindustrie zum Beheizen von Walzen eingesetzt. Weitere Anwendungen dieser Systeme sind die Chemietechnik, die Kunststoffproduktion und die Lebensmittelindustrie. Besondere Vorteile von Wärmeträgeranlagen sind:
- Sehr präzise, reproduzierbare Temperaturführung von 40 bis 400 °C am Verbraucher realisierbar
- Lange Lebensdauer
- Zentrale Positionierung des Erhitzers (z.B. an einem nicht explosionsgefährdeten Standort) möglich; Wärme wird über ein verzweigtes Rohrleitungsnetz einzelnen Verbrauchern zugeführt
- Nahezu drucklose Wärmeübertragung im Vergleich zu Dampfheizungen, da viele Wärmeträgeröle bis zu einer Temperatur von 350 °C unter Umgebungsdruck in der Flüssigphase verbleiben.
Entwicklungsziele des GC-turb
GC-turb sollte die Prozesskinetik auf der Anwenderseite optimieren, um so die Beheizung von Wärmeträgeranlagen wirtschaftlicher zu gestalten. Realisiert werden sollte dies durch eine Verbesserung des Wärmeübergangs vom Heizstab auf das zu beheizende Medium. Die Einsparungen auf Anwenderseite sollten sich auf drei Arten darstellen:
- Niedrigere Investitionskosten durch eine Verringerung der Anzahl der benötigten Heizer
- Niedrigere Betriebskosten durch verkürzte Aufheizphasen
- Niedrigere Instandhaltungskosten durch eine längere Gebrauchsdauer des Wärmeträgermediums
Vor Beginn der Entwicklung wurde eine Machbarkeitsstudie durchgeführt. Die Steigerung des konvektiven Wärmeübergangs sollte mindestens 30 % betragen, bevor man die aufwendigen experimentellen Untersuchungen an realen Heizstäben im Labor durchführen wollte. Nach ersten positiven Ergebnissen wurden dann über 400 verschiedene Messreihen mit unterschiedlichen Parametern wie Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Viskositäten durchgeführt.
Korrelationsanalysen haben anschließend die komplexen Zusammenhänge der Wärmeübertragung an dem strukturierten Rohr in ein Berechnungsprogramm für die Wandtemperatur zusammengeführt. Dort sind die Anwenderwünsche bei der Auslegung von Durchlauferhitzern leicht konfigurierbar. In dem Programm ist eine Vielzahl von Stoffdaten der Wärmeträgermedien bereits hinterlegt, sodass GC-heat dem Anwender ein Datenblatt seines Durchlauferhitzers mit den Berechnungsergebnissen zur Verfügung stellen kann.
Um die Wirkweise der strukturierten Heizstäbe auch in der Praxis über Jahre hinweg zu validieren, richtete der Hersteller in Zusammenarbeit mit einem langjährigen Partner einen Dauerversuch ein. In dessen Anlage wurden sowohl konventionelle Glattstäbe als auch der strukturierte GC-turb mit Temperaturfühlern innen an der Rohrwand eingesetzt. Dabei flossen die Erfahrungen aus den Laborversuchen bei der Temperaturmessung an umströmten Heizstäben ein. Der GC-turb sollte im direkten Vergleich seine Vorteile zeigen. Daher zeichnete der Betreiber über zwei Jahre hinweg mehrere Messreihen bei unterschiedlichen Wärmeträgeröltemperaturen auf und verglich sie miteinander.
Ergebnisse
Die Praxiserfahrung zeigte, dass das gesetzte Entwicklungsziel nicht nur erreicht, sondern sogar deutlich überschritten wurde. Die treibende Temperaturdifferenz wird mit dem GC-turb halbiert. Somit ergibt sich eine Steigerung des konvektiven Wärmeübergangs von sogar ca. 50 %. Konkret würden so beispielsweise statt einer kritischen Rohrwandtemperatur von 266 °C (Glattstab) nur 241 °C (GC-turb) benötigt, um das Medium auf die gewünschten 217 °C zu erwärmen.
Der Anlagebauer hat die Möglichkeit, den technischen Fortschritt durch den GC-turb auf vielfältige Weise für sich zu nutzen. Investitionskosten, Betriebskosten und Instandhaltungskosten lassen sich damit positiv beeinflussen. Durch den optimierten Wärmeübergang kann entweder die Baulänge der Heizer verkürzt werden (kompakterer Behälter) oder die Behälter- und Heizeranzahl kann verringert werden – beides senkt die Investitionskosten. Oft kann beim Anfahren der Anlagen nicht mit voller elektrischer Leistungsdichte aufgeheizt werden, da die Rohrwandtemperatur durch die schlechtere Viskosität des Mediums im unteren Temperaturbereich unzulässig ansteigt. Der GC-turb ermöglicht schnellere Aufheizzeiten und damit geringere Betriebskosten. Und auch das dritte Entwicklungsziel wurde erreicht: Geringe Heizflächentemperaturen beeinflussen die Standzeit des Mediums positiv. Somit reduzieren sich die Instandhaltungskosten der jeweiligen Anlage. Abschließend bewirkt die Erhöhung der Standzeit des Wärmeträgermediums (weniger Wechsel) auch eine Senkung der Entsorgungskosten. Auf welchen Aspekt ein Anlagenbauer den Schwerpunkt setzt, hängt von den jeweiligen Kundenanforderungen ab. Individuelle Dimensionierung der GC-turb-Flanschheizkörper trägt den jeweiligen Anlagenanforderungen Rechnung.
Online-Info www.cav.de/0910487
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