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Maßgeschneiderte, modulare Wärmetauscher

Standardisierte Plattenwärmetauscher steigern die Effizienz
Maßgeschneiderte, modulare Wärmetauscher

Der Wärmetauscher K°Flex von Kelvion basiert auf Plattenpaketen, deren Geometrie die Vorteile von Rohrbündel- und Plattenwärmetauschern kombiniert. Seine Vorzüge kommen bei Standardaufgaben ebenso zur Geltung wie bei Retrofit-Projekten oder der Auskopplung von Niedertemperaturwärme. Sogar Multi-Fluid-Systeme lassen sich mit ihm realisieren.

Geht es um den Return on Investment, sind modulare Wärmetauscher individuell angefertigten Lösungen in der Regel überlegen. Dass sie auch hinsichtlich Effizienz und Vielseitigkeit überzeugen können, zeigt beispielhaft der Wärmetauscher K°Flex von Kelvion. Beim K°Flex handelt es sich um eine modular aufgebaute Konstruktion auf Basis vollverschweißter, gasdichter Platten, die sich der jeweiligen Aufgabe flexibel anpassen lässt. Typische Einsatzgebiete für diesen Wärmetauschertyp sind die Kondensation oder Verdampfung und der Wärmeaustausch zwischen einphasigen Medien. Die dichtungslosen Platten kombinieren die Vorteile von Rohrbündel- und Plattenwärmetauschern in einem Gerät. Von der einen Seite aus betrachtet fließt das Medium durch Röhrchen mit 6 oder 9 mm Durchmesser. Das andere Medium strömt durch eine Plattenstruktur, deren Prägung Turbulenzen provoziert und für eine gute Verwirbelung – also für einen guten Wärmetransfer – sorgt.

Das durch die geraden Rohre strömende Medium durchdringt den Wärmetauscher auf kurzem Weg ohne Hindernisse, was hohe Volumenströme bei geringen Druckverlusten ermöglicht und außerdem bei zweiphasigen Medien vorteilhaft ist. Der große Rohrdurchmesser wirkt sich nicht nur bei der Kondensation unter Vakuum positiv aus, sondern ermöglicht es auch, zähflüssigere oder mit Partikelchen verunreinigte Medien einzusetzen, ohne dass ein schnelles Fouling oder Zusetzen des Wärmetauschers zu befürchten wären. Zur Reinigung genügen typische Clean-in-Place-Systeme. Die geprägten Platten werden zu Plattenpaaren verschweißt und diese zu standardisierten, quaderförmigen Modulen zusammengesetzt. Diese Module lassen sich wiederum zu Plattenpaketen zusammenfügen, wobei ein Paket mehrere Reihen und Lagen haben kann. Dank der Option, mehrere Lagen in einem Paket anzuordnen, sind neben der Flussrichtung im klassischen Kreuzstrom auch weitere Varianten wie der Kreuz-Gegenstrom machbar. Auf diese Weise lässt sich auf die jeweiligen thermodynamischen Anforderungen Rücksicht nehmen.

Multi-Fluid-Systeme

Da die Lagen der Plattenpakete hydraulisch voneinander getrennt sind, ist mit dem K°Flex auch der Bau von Multi-Fluid-Wärmetauschern möglich, wie sie zum Beispiel in der Öl- und Gasindustrie verwendet werden. So lässt sich z. B. ein stark zu kühlendes oder zu erhitzendes Medium innerhalb eines Wärmetauschers schrittweise mit verschiedenen, den jeweiligen Temperaturstufen angepassten Medien temperieren. Zum Beispiel ließe sich heißes Abgas gegen zwei verschiedene Kühlmedien fahren, um es auf die gewünschte Zieltemperatur zu bringen. Eine Kaskade aus mehreren Wärmetauschern wäre somit entbehrlich, was die Investitionskosten verringert. Eine andere Multi-Fluid-Anwendung wäre, ein heißes Produkt dafür zu verwenden, gleichzeitig unterschiedliche Prozessfluide zu erwärmen.

Ein kompletter, anschlussfertiger Wärmetauscher besteht aus einem Plattenpaket oder einem aus mehreren Paketen gebildeten Turm in einem kompakten Gehäuse oder in einem runden Behälter. Auf diese Weise können Wärmetauscher mit einer wirksamen Fläche bis zu 12 000 m² in einer einzigen Einheit umgesetzt werden. Theoretisch sind bis zu 40 m hohe Einheiten möglich, die bisher höchste von Kelvion gefertigte Lösung erreichte eine Höhe von etwa 20 m. Für die gelegentliche manuelle Reinigung werden die großen Gehäuse mit Öffnungen bzw. Mannlöchern versehen.

Je nach Material und Ausführung eignen sich die modularen Wärmetauscher wie der K°Flex für Temperaturen bis 550 °C, bei Sonderausführungen auch darüber, sowie für Drücke auf der Wellenseite bis zu 100 bar. Die in der chemischen Industrie häufigen Einsatzgebiete für Medien mit bis zu 300 °C und Drücken bis 30 bar lassen sich mit den Standard-Modulen des K°Flex bedienen.

Leistungsgewinn bei der Sanierung

Eine modulare Lösung wie der K°Flex eignet sich auch für die Sanierung: Oft werden bestehende ältere Wärmetauscher aufgrund ihres Verschleißes oder zum Zweck der Kapazitätserhöhung oder Effizienzsteigerung durch neue, kompaktere Lösungen ersetzt. Dies hat sich unter anderem bei Robert-Verdampfern oder auch Röhrenfallfilmverdampfern bewährt, wie sie beispielsweise in der Zuckerindustrie verwendet werden. Die äußeren Behälter können bei Ersatz des Wärmetauschers durch K°Flex-Plattenpakete weiterverwendet werden, sodass lediglich die Wärmeübertragungsflächen und die internen Einbauten zu tauschen sind.

Dank der Verwendung der Plattenpakete lässt sich bei identischen Abmessungen die Wärmeübertragungsfläche deutlich steigern. Je nach Behälterdurchmesser sind zwischen 200 und 300 % Flächengewinn möglich. Dazu kommt der höhere Wärmeübertragungskoeffizient der neuen Lösung. Je nach Ausgangssituation sind Verbesserungen des Wärmeübergangs um 50 %, manchmal sogar eine Verdopplung möglich. Zusammen mit dem Flächengewinn führt dies zu einer Vervielfachung der Übertragungsleistung – und dies bei identischen Außenabmessungen und geringerem Gesamtgewicht des neuen Wärmetauschers. Bei einer Kaskade von Wärmetauschern ist es daher oft möglich, nach der Sanierung bei gleichen Ausgangsbedingungen die Stufenanzahl zu erhöhen und damit eine deutlich größere Effizienz – somit einen geringeren Dampfbedarf – des Gesamtsystems zu erreichen.

Niedertemperaturwärme nutzen

Nicht ökonomisch verwertbare Niedertemperaturwärme wurde in der Vergangenheit oft an die Umgebung abgeführt. Mit modernen Wärmetauschern sind jedoch hohe Wärmeübertragungsleistungen und geringe Differenztemperaturen zwischen den Medien machbar, sodass die Wärmerückgewinnung und -nutzung auf einem deutlich niedrigeren Temperaturniveau wirtschaftlicher ist als früher. Ein Beispiel hierfür ist die Nutzung von Restwärme in einer Abfallverbrennungsanlage. In dieser Anlage fällt Restwärme aus Vakuumdämpfen an, die früher mit luftgekühlten Kondensatoren abgeführt wurde. Bei einem Nachrüstungsprojekt von Kelvion wurde diese Abwärme zum Beheizen von Tomatentreibhäusern nutzbar gemacht. In der Abfallverbrennung stand nur wenig Raum zur Verfügung, sodass sich die Kompaktheit des Wärmetauschers als Vorteil erwies. Der unter dem Dach der Anlage installierte Vakuumkondensator hat eine Bauhöhe von nicht ganz 2,5 m und bietet eine Wärmeübertragungsfläche von mehr als 1000 m². Ähnliche Lösungen sind ebenso für Prozesse in chemischen Anlagen denkbar, bei denen zum Beispiel Wasserdampf oder Prozessdampf unter Vakuumbedingungen anfällt und durch Vakuumkondensatoren zur Restwärmegewinnung genutzt werden kann.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav0717kelvion


Autor: Markus Lentz

Head of Sales K°Flex,Kelvion

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