Platte versus Rohrbündel

Ein WTP-Plattenwärmetauscher mit rund 10 m2 und ein verfahrenstechnisch vergleichbares Rohrbündel wurden im Technikum der Bayer Technology Services in Leverkusen in eine bestehende Kolonnen-Verdampfereinheit mit 0,6 m Durchmesser und einer Höhe von ca. 2 m so eingebaut, dass die unterschiedlichen Kondensatoren wechselseitig betrieben werden konnten. So entstand die Möglichkeit, die Leistungsdaten von Platten- und Rohrbündelkondensatoren auf direktem Weg zu vergleichen. Zugleich bot der Test die Gelegenheit, die in der Literatur und bei LOB bereits erstellten Berechnungsmethoden zu bestätigen und weitere verfahrenstechnische Modellrechnungen hinzuzufügen.

Beim WTP-System erfolgt die Kondensation zwischen den Platten, beim Rohrbündel in den Rohren. Im Test wurden in beiden Fällen Brüden und Kondensat im Gleichstrom und mit einer Übertragungsleistung von bis zu 320 kW von oben nach unten geführt. Die Wärmeübertragungsfläche wurde dabei längs überströmt. Bei dieser Stromführung erfolgt die Kondensation in der Regel bei niedrigen Drücken. Da das Kühlwasser unter hohem Druck stand, sind beim Rohrbündelwärmetauscher dicke Böden erforderlich, um die Druckdifferenz zu kompensieren. Aus diesem Grund setzt sich verstärkt der WTP-Plattenwärmetauscher als Kondensator durch. Die Aufweitung der WTP-Platten erfolgt Drücken, die höher liegen als der spätere reguläre Betriebsdruck, sodass eine erste Druckprüfung schon vorweggenommen wird.

Außerdem besitzen WTP-Kondensatorplatten mehr Gestaltungsmöglichkeiten als ein Rohrbündel. Die Wahl der Schweißkreise und eine Anpassung an die individuellen Einsatzbedingungen schaffen die Voraussetzung für eine sehr kompakte, leichte und kostensparende Konstruktion. Die Gewichtsersparnis bei volumenreduzierter, kompakter Bauweise beträgt ca. 50 %. Beim Einsatz als Kopfkondensator wird dadurch die Statik der hohen Kolonne kostenreduziert entlastet. Auch ist die Abreinigung der Platten im Außenraum einfacher, wenn Stoffe kondensiert werden, die bei der Verflüssigung zu Anbackungen neigen.

Im Jahr 2014 fanden zwei Testreihen in der Technikumsanlage der Bayer Technology Services statt. Die Messungen wurden durchgeführt mit technischem Chlorbenzol bei 800 mbar(a) und 200 mbar(a) als Reinstoff sowie einer Zumischung von bis zu 9 kg/h Stickstoff als Inertgas. Ausgewertet wurden dabei 37 Versuche mit dem WTP-System und 6 Versuche mit Rohrbündeln bei 800 mbar(a). Zusätzlich erfolgte eine weitere Testreihe bei 200 mbar(a). Hierbei wurden 27 Versuche mit dem WTP-System und 9 Versuche mit dem Rohrbündel gefahren. Um die Leistungsgrenze zu testen, wurden die Reinstoffversuche bei 200 mbar(a) um fünf Versuche mit einer Einperlung von Stickstoff bis zu 8,9 kg/h ergänzt. Bild 2 zeigt als Ergebnis, dass bei 200 mbar der WTP-Plattenkondensator bei gleicher Wärmeleistung deutlich bessere Ergebnisse erbringt.

Einen typischen Temperaturverlauf über die Lauflänge, gemessen zwischen den Platten, zeigt Bild 3. Bei einem Druck von 200 mbar verläuft die Kurve zunächst entlang der Kondensationstemperatur von 81,49 °C und knickt nach einer Lauflänge von 500 mm in die Nachkühlzone nach unten. Am Ende der WTP-Platte sinkt die Temperatur bei 1700 mm sprunghaft um 6 °C nach unten ab. Die Temperatursenkung am unteren Plattenrand kann erst bei Kondensatmengen über 1500 kg/h sowie bei Zumischung von Inertgas beobachtet werden.

Der Strömungsverlauf zwischen WTP-Platte und Rohrbündel ist grundsätzlich verschieden. Dies zeigt sich auch an der gemessenen Temperaturkurve über die Rohrlänge. Da über die Kondensationskurve ein Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur besteht, zeigt beim Rohrbündelkondensator die Temperatur einen ähnlichen Verlauf wie der Druckverlauf bei der Durchströmung einer plötzlichen Querschnittsverengung im Einlauf einer Rohrplatte. Da ein WTP-Plattenkondensator keinen Rohrboden benötigt, ist auch der Druckverlust im Einlaufbereich geringer als bei einem Rohrbündel.

Eine weitere Zielsetzung der Testreihe war die Abschätzung, wie gut die Messwerte durch Rechenprogramme abgebildet werden. Die in der Literatur veröffentlichten sowie kommerziellen Rechenprogramme basieren in der Regel auf Rohrbündeln. Die von LOB entwickelten Rechenmodelle für Plattenkondensatoren konnten nun in den Versuchsergebnissen im Vergleich Rohrbündel zu WTP-Platten bestätigt werden.

Halle 4.0, Stand G11

prozesstechnik-online.de/cav0615507

cav: Herr Offermanns, Ihr WTP-System ist für viele Anwendungen geeignet, so auch zum Bau von Kühlfallen. Was steckt dahinter?

Offermanns: Seit Jahren beschäftigen wir uns mit dem Einsatz des WTP-Systems im Bereich der Kondensation und der Verdampfung. Das WTP-System (Wärmeaustauschplatten-System) wird in diesen Bereichen als Kopfkondensator auf Kolonnen mit und ohne integrierte Dampferzeugung, als Umlaufverdampfer und auch als Fallfilmverdampfer eingesetzt. Die Vorteile liegen dabei in den effektiveren Wärmeübergängen als auch bei geringem Gewicht, geringeren Herstellungskosten und Betriebskosten. Daher war es naheliegend, diese Technologie auch bei Kühlfallen zu verwenden, um die herkömmliche Bauweise von Kühlfallen mit eingebauten Rippenrohren, beispielsweise aus Kupfer, zu ersetzen. Das Ziel ist dabei vor allem eine platzsparende und strömungstechnisch verbesserte Auslegung.

cav: Gibt es noch andere Vorteile?

Offermanns: Mithilfe des WTP-Systems ergeben sich neue Konstruktionsmöglichkeiten. Kühlfallen und andere Apparate können besser vor Ort angepasst werden. Das Abschmelzen vereister Apparate geht wesentlich schneller. Weiterhin sind die Druckverluste deutlich geringer. Dabei verstehen wir uns nicht mehr als reiner Anlagen- und Apparatebauer, zu unserem Leistungsspektrum zählt genauso die Planung und Montage. Dies beinhaltet natürlich auch die wärmetechnischen Berechnungen und statischen Auslegungen sowie die apparatetechnische und bauliche Konstruktion.

cav: Forschung und Entwicklung sichert langfristigen Erfolg. Welchen Aufwand betreiben Sie als mittelständiges Unternehmen?

Offermanns: Mit dem WTP-System versuchen wir aktiv neue Wege zu beschreiten. So haben wir letztes Jahr im Rahmen des InnovA2-Verbundprojektes Kopfkondensatoren auf ihre Energieeffizienz untersucht. In einer umfangreichen Testreihe verglichen wir in Zusammenarbeit mit der Bayer Technology Services einen klassischen Rohrbündel-Wärmetauscher und einen Plattenwärmetauscher auf WTP-Basis. Das erzielte Ergebnis war ganz deutlich – unser WTP-System ist um 25 bis 35 % effizienter. Dabei konnten wir anhand der Versuchsergebnisse belegen, dass die von uns entwickelten Rechenmodelle für WTP-Plattenwärmeaustauscher zutreffen. Denn veröffentlichte kommerzielle Rechenprogramme für Plattenkondensatoren sind in der Fachliteratur derzeit nicht vorhanden. So betreiben wir aktiv Forschungsarbeit.

cav: Und was ist ihr nächster Schritt?

Offermanns: Zur Achema in Frankfurt präsentieren wir erstmalig einen rekuperativen Gas-Gas-Kreuzgegenstromwärmeaus- tauscher auf WTP-Basis. Hierbei war es das Ziel, die kompakte, druckfeste Bauweise eines Rohrbündelwärmetauschers mit den Vorteilen eines wärmetechnisch günstigen Plattenpaketes mit geringem Bauvolumen und niedrigen Druckverlusten zu kombinieren. Dank der lasergeschweißten Wärmeaustauscherplatten des WTP-Systems konnten wir Auslegedrücke von nahezu 10 bar bewerkstelligen. Gleichzeitig wird die anfallende Abwärme effektiver übertragen.