Sicherheitswärmetauscher Gutes Klima in Katar – Produktion von Polysilizium für Photovoltaikanlagen

Autor / Redakteur: Barbara Schüßler, Silke Pollow / Wolfgang Ernhofer

Wie Brasilien setzt auch Katar für die Kühlung von Stadien und Fanmeilen der Fußball-WM auf Solarenergie aus Photovoltaikzellen. Die Herstellung des dafür notwendigen hochreinen Polysiliziums ist ein sensibler chemischer Prozess. Um Anlagensicherheit und -effizienz zu garantieren, kommt eine neue Generation von Sicherheitswärmeaustauschern zum Einsatz.

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(Bild: © Smileus - Fotolia)

Der Wüstenstaat Katar hat den weltweit höchsten Pro-Kopf-Ausstoß an Kohlendioxid, trotzdem gehört Katar im arabischen Raum zu den Haupttreibern bei der Bekämpfung der Ursachen des Klimawandels. Seit der Klimakonferenz 2012 in Doha strebt das Land nach Wissen und Diversifizierung im Energiesektor und kooperiert für Wissens- und Technologietransfer auch mit einem deutschen Forschungsinstitut. Katar will Beispiel für viele andere Länder in der Region sein. Vor dem Hintergrund extremer klimatischer Bedingungen streben die Behörden auch nach einer CO2-neutralen Klimatisierung.

Die Herstellung des dafür notwendigen hochreinen Polysiliziums ist ein hochsensibler chemischer Prozess. Um Anlagensicherheit und -effizienz zu garantieren, kommt eine neue Generation von Sicherheitswärmeaustauschern der Firma Funke Wärmeaustauscher Apparatebau zum Einsatz mit Sicherheitsrohren von Wieland Thermal Solutions.

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Mit Doppelrohrwärmeaustauscher auf Nummer sicher

Sicherheits-Rohrbündel-Wärmeaustauscher wurden in den 1980er Jahren von Karl-Heinz Funke, Gründer von Funke Wärmeaustauscher Apparatebau, als Lösung für höchste Anforderungen an Anlagensicherheit entwickelt. Bei dieser Bauart werden zwei Glattrohre ineinander geschoben und bilden so einen geschlossenen und drucküberwachten Sicherheitsraum. Die Wärmeübertragung erfolgt normalerweise durch entsprechend geeignete Flüssigkeiten.

Im speziellen Herstellungsprozess von Polysilizium entstehen unterschiedliche Silan-Verbindungen mit extrem hoher chemischer Reaktionsfähigkeit. Bei Vermischung dieser Silan-Verbindungen mit Flüssigkeiten kann es im schlimmsten Fall zur Explosion kommen. Die Nutzung von Flüssigkeiten zur Wärmeübertragung ist somit aus Sicherheitsgründen nicht möglich. Daher hat Funke zusammen mit Wieland Thermal Solutions für diese besonderen Anforderungen einen neuen Sicherheits-Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit metallischer Wärmeleitung aus Edelstahl entwickelt.

Doppelrohrlösung mit metallischer Wärmeleitung

Bei dieser neuen technischen Lösung für den Sicherheits-Wärmeaustauscher werden Gewa-safe Rohre aus Edelstahl verwendet. Die Rohre wurden von Wieland Thermal Solutions als doppelwandige Sicherheitsrohre für Wärmetauscher entwickelt mit dem Ziel, eine absolut zuverlässige Medientrennung mit einer optimalen Wärmeübertragung ohne weiteres Wärmeträgermedium zu verbinden. Die Struktur nutzt feine Kanäle, die eine Überwachung eines so genannten Leckspaltes ermöglichen.

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Diese Doppelrohrlösung garantiert die Anlagensicherheit und erhöht die Anlageneffizienz, da Anlagenstillstände vermieden werden können. Leckagen sind frühzeitig erkennbar und werden im Rahmen geplanter Wartungen behoben. Außerdem ermöglicht die effiziente metallische Wärmeübertragung eine sehr kompakte Bauweise des Wärmeübertragers und somit eine Ersparnis an Fläche und Materialkosten.

Neben der chemischen Prozesstechnik werden Sicherheitsrohre auch bei der Wärmerückgewinnung und bei der Trinkwassererwärmung in den Werkstoffen Kupfer, Stahl und Edelstahl eingesetzt. Je nach Anwendung sind die Oberflächen von Innen- oder Außenrohr zusätzlich für eine optimale Wärmeübertragung berippt.

Pyramidenstruktur ermöglicht optimale Wärmeübertragung

Für den Funke Wärmeaustauscher ist die Außenoberfläche des Innenrohres mit einer sogenannten Pyramidenstruktur versehen, sodass nach der Aufweitung eine maximale Kontaktfläche von 80 % und somit ein optimaler Wärmeübergang erreicht werden kann. Die wärmetechnische Auslegung erfolgte mittels Unterstützung durch HTRI (Heat Transfer Research, siehe Infokasten S. 75), bei dem sowohl Funke als auch Wieland seit vielen Jahrzehnten Mitglied sind.

Für die Herstellung von Polysilizium werden mehrere Wärmeüberträger an unterschiedlichen Stellen des Produktionsprozesses eingesetzt und individuell für die jeweilige Anwendung ausgelegt. Die Baugröße des entsprechenden Sicherheitswärmetauschers richtet sich dabei nach der Funktion und reicht von mehreren Kilowatt Stunden bis in den Megawattbereich.

Die klimatischen Bedingungen in Katar stellen besondere Herausforderungen an die Belastbarkeit von Anlagen. Der Sicherheits-Rohrbündel-Wärmeaustauscher muss hohe Stützlasten bei extremen An- und Abfahrtszenarien standhalten. Das stellt höchste Anforderungen an das Doppelrohrsystem, die Verbindung von Rohr- und Rohrboden sowie an jeden Druckraum – jeweils separat betrachtet.

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Als Dehnungsausgleich der Konstruktion baut Funke einen Axial Kompensator in den Wärmeaustauschermantel ein. Zusätzlich wird der Sicherheitsraum mit einem weiteren Dehnungsausgleich abgesichert, um die diversen Beanspruchungen des Doppelrohrsystems und die Axialkräfte der Fügeverbindung aufnehmen zu können.

Sicherheitswärmetauscher – Konzept mit Perspektive

„Bei unseren bisherigen Projekten zur Prozesskühlung mit Sicherheits-Rohrbündel-Wärmeaustauschern in Katar haben wir gute Erfahrungen gemacht. Wir gehen davon aus, dass unser erfolgreiches Konzept der Doppelrohrlösung im Wärmeaustauscher bei der Planung weiterer Anlagen der chemischen Prozesstechnik im arabischen Raum berücksichtigt werden wird“, so Michael Stauch, CEO der Funke-Gruppe.

Michael Sachs, Leiter F&E bei Funke, ergänzt: „Mit der Doppelrohrlösung ist uns eine zuverlässige und robuste Weiterentwicklung unseres Sicherheits-Wärmeaustauschers gelungen, der höchsten Anforderungen an Sicherheit standhält.“

* Barbara Schüßler arbeitet im Marketing bei Wieland Thermal Solutions. Silke Pollow arbeitet im Marketing bei Funke Wärmeaustauscher Apparatebau. Kontakt: Tel. +49-731-944-0

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