Innovative Geometrie erhöht die Wärmeübertragung um das Zehnfache

Wendeln statt Glattrohre

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Der Einsatz von Wärmetauscherrohren, durch die sich die Strömungsmechanik des Mediums beeinflussen lässt, bedeutet für die Chemie- und Pharmaindustrie einen enormen qualitativen Sprung. Wärmetauscher mit solchen Rohren sind im Vergleich zu konventionellen Glattrohrwärmetauschern mit niedrigeren Wärmeübertragungskoeffizienten sehr viel effizienter und verbrauchen deutlich weniger Platz.

Dr. Stefan Geißler

Vor drei Jahren wollte ZLB Behring in Marburg ein neues WFI-Lagerungs- und Verteilsystem installieren. Die Vorgaben des biopharmazeutischen Unternehmens, das damals noch unter dem Namen Aventis Behring firmierte, lauteten: Die Anlage sollte die Entnahme des Wassers für Injektionszwecke an drei Zapfstellen ermöglichen und zwar wahlweise mit einer Temperatur von 20 oder 40 °C. Es war daher nötig, das bei 85 °C zirkulierende Wasser vor jeder Entnahme mit Hilfe von Wärmetauschern abzukühlen. Als Kühlmedium war Kühlturmwasser vorgesehen. Da dieses jedoch eine Temperatur von fast 27 °C hatte, musste für eine vollständige Abkühlung außerdem Stadtwasser als zweites Kühlmedium herangezogen werden. Mit diesen vorgegebenen Rahmenbedingungen waren letztendlich zwei Wärmetauscher pro Zapfstelle notwendig. Insgesamt mussten für die Anlage also sechs Wärmetauscher angebracht werden. Der Wunsch nach einer Platz sparenden Deckenkonstruktion schien damit nicht realisierbar. Hier herrschten bereits aufgrund von bestehenden Rohrleitungen und Lüftungskanälen engste Platzverhältnisse. Die üblichen geraden Glattrohre in Wärmetauschern haben einen sehr niedrigen Wärmeübertragungskoeffizienten. Die Übertragungsoberfläche muss daher über die Länge oder die Anzahl der Rohre erhöht werden. Für die in diesem Fall zur Kühlung erforderlichen bis zu 3 m langen, glatten Wärmetauscherrohre war ein Einbau damit ausgeschlossen.
Kompakter Wärmetauscher
Der Wärmetechnik-Spezialist hde Solutions hat aus diesem Grund gemeinsam mit dem Engineering- und Contracting-Unternehmen Steritec einen besonders kompakten Wärmetauscher speziell für den Einsatz in der Steriltechnik entwickelt. Die Rohre dieses Wärmetauschers sind nicht rund, wie die der konventionellen Wärmetauscher, sondern bilden einen wendelförmig verlaufenden, annähernd rechteckigen Kanal für den Produktstrom. Aufgrund der Zentrifugalkraft, die durch diese Form im Strömungskanal entsteht, bilden sich Sekundärströmungen, die eine Verbesserung der Austauschprozesse bewirken. Das Resultat ist eine deutlich verbesserte Wärmeübertragung.
Das Kühlmedium wird an einer Gabelung vor dem Wärmetauscher getrennt und über Flansche an zwei verschiedenen Stellen in den aus bis zu 12 Einzelrohren bestehenden Wärmetauscher eingeleitet. Ein Zugang endet im Außenmantel, der andere an der Stirnseite. Dort gelangt die Flüssigkeit in einen dünnen Zwischenraum, der jedes einzelne Rohr umgibt. Damit ist auch auf den beiden Kühlseiten des Wendelrohres ein sehr guter Wärmeübergang garantiert. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit auf der Außenseite und die Beeinflussung der Strömungsmechanik im Rohr kann die Wärmeübertragung gegenüber konventionellen Modellen bis um das Zehnfache erhöht werden. Damit ist es möglich, auch sehr kompakte Wärmetauscher mit hohem Wirkungsgrad bei einer geringen Anzahl von Rohren zu bauen. Selbst bei einer maximalen Leistung von 312 kW unter den oben genannten Bedingungen, misst ein solcher Wärmtauscher nicht mehr als einen Meter.
Steriltechnische Konstruktion
Der nach dem vorangehend beschriebenen Prinzip gebaute Wärmetauscher Twister wurde zudem speziell für pharmazeutische Prozesse im Reinstmedienbereich entwickelt. Damit erfüllt er alle steriltechnischen Anforderungen. Doppelböden verhindern im Falle einer Leckage die Kontamination des sterilen Produktes mit dem nicht sterilen Mantelmedium. Der Wärmetauscher gewährleistet die Minimierung des Totvolumens und eine gute Entleerbarkeit bei geringer Neigung in horizontaler Einbaulage. Alle Zapfstellen sind konform GMP und PH.Eur. Die geringe Anzahl der benötigten Rohre hat außerdem den Vorteil, dass die Anzahl der Verbindungsstellen zwischen den Rohren gering ist. Das Risiko einer Undichtigkeit wird minimiert.
Bei der ZLB Behring GmbH wurden schließlich jeweils zwei Twister übereinander an jeder Zapfstelle in der Zwischendecke bzw. im Rahmen unter der Decke eingebaut. Hier wird das WFI von 85 °C auf wahlweise 40 bzw. 20 °C Entnahmetemperatur abgekühlt. Ein Twister-Modell mit fünf Rohren ist für das Vorkühlen mit Kühlturmwasser, ein Modell mit sieben Rohren für das Endkühlen mit Stadtwasser ausgelegt. Der Twister 5 erbringt mit seinen fünf Wendelkanalrohren eine Wärmeleistung von 130 kW und ist knapp über einen Meter lang. Bei der Entnahmetemperatur von 40 °C erbringt er die Leistung fast vollständig allein. Der Twister 7 mit zwei zusätzlichen Rohren erbringt bei gleicher Länge eine Leistung von 182 kW und senkt die Temperatur mittels Stadtwasser auf 20 °C Entnahmetemperatur.
Ablagerungen reduziert
Auch dort, wo die Verschmutzung von Rohren durch Ablagerungen ein häufiges Problem ist, sind Wärmetauscherrohre, die die Strömungsmechanik beeinflussen, eine effektive Lösung, wie das Beispiel der CPS (Chemisch-Pharmazeutische Spezialitäten), eine Tochter der H&R Wasag, zeigt. In einer Raffinationsanlage zur Herstellung von Paraffinen verlor der Wärmetauscher während des Betriebs enorm an Effizienz. Der Grund: Die durch die hohen Temperaturen entstehenden Verkokungen lagerten sich mit der Zeit zwischen den Rippen der Rohre ab. Vor allem kleinere Querschnittsbereiche setzten sich allmählich zu und nahmen somit am Wärmeaustausch nicht mehr teil. Die Wärmetauscherfläche und damit die Effizienz der Wärmeübertragung reduzierte sich in kürzester Zeit. Lag der k-Wert des Wärmetauschers in gereinigtem Zustand bei 240 W/(m²K), so sank er während des Betriebs innerhalb kürzester Zeit auf 40 W/(m²K) herab. Hinzu kam ein erhöhter Druckverlust durch die Verschmutzung, der wiederum die Kompressorleistung verringerte. Das Unternehmen hatte die Wahl: Entweder man produzierte mit reduzierter Leistung weiter, oder man unterbrach die Produktion, um die Rohre zu reinigen. Wertvolle Produktionsmengen gingen in beiden Fällen verloren.
Auch hier bestand die Lösung des Problems aus Rohren, die Einfluss auf die Strömungsmechanik des Mediums nehmen. In diesem Fall wurden so genannte Drallrohre eingesetzt. Die spiralförmig umlaufenden Rillen versetzen das durchfließende Medium in den Strömungsgrenzschichten in eine intensive Verwirbelung, erhöhen dabei den Wärmeaustausch und reduzieren den Druckverlust im System. Nicht zuletzt werden dadurch Ablagerungen deutlich reduziert. Um bei der CPS nicht die komplette Anlage austauschen zu müssen, wurden 28 Drallrohre mit Geometrien entwickelt, die eigens für den Bedarf der Paraffinanlage ausgelegt waren. Diese wurden dann zu vier montagefertigen Bündeln mit je sieben Rohren montiert. Diese Pakete entsprachen im Prinzip einem neuen Wärmetauscher, ohne dass die komplette Anlage erneuert werden musste. Durch den Einsatz der Drallrohre konnte nicht nur die Produktionsmenge erhöht werden; auch die Wärmeübertragung verbesserte sich erheblich. Der k-Wert des Wärmetauschers liegt heute stabil bei ca. 400 W/(m²K).
Wärmetauscherrohre
cav 400
Wärmetauscher Twister
cav 401

Näheres zum Wärmetauscher Twister
Wärmetauscherrohre
Programm zur Berechnung von Rohrbündelwärmetauschern
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