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Wärmetauscher Kombi-Systeme und neue Fertigungsverfahren eröffnen neue Applikationen für Wärmetauscher

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Der gezielte Austausch von Wärme bzw. Kälte ist eine Standardaufgabe der chemischen Verfahrenstechnik. Welche Wärmetauscher eignen sich für die Anforderungen in der Chemie besonders gut? PROCESS hat bei mehreren Herstellern von Wärmetauschern nachgefragt.

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Die zustandsabhängige Wartung per AlfaCheck sichert die Wirtschaftlichkeit von Platten-Wärmetauschern. Bild: Alfa Laval
Die zustandsabhängige Wartung per AlfaCheck sichert die Wirtschaftlichkeit von Platten-Wärmetauschern. Bild: Alfa Laval
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Chemie befasst sich mit Verfahren der Stoffumwandlung – und das geschieht selten spontan. Fast immer muss dazu Energie bereitgestellt werden, sei es auch nur zur Aktivierung einer Reaktion. Typisch ist andererseits, dass viele Reaktionen exotherm verlaufen, der Reaktor also gekühlt werden muss. Es ist nahe liegend, die in bestimmten Anlagenteilen anfallende Prozesswärme auf solche zu übertragen, die Energie benötigen (Energieverbund). Dazu sind ganzheitliche Konzepte wie die Pinch-point-Methode ebenso erforderlich wie leistungsfähige Wärmetauscher.

Was bietet der Markt für Wärmetauscher aktuell an? Erst vor wenigen Wochen unterzeichnete SGL Group und der Kemptener Hersteller von Hochleistungskeramiken, ESK Ceramics, einen Vertrag zur gemeinsamen Entwicklung und Produktion von SiC-BlockWärmetauschern. Beide Unternehmen bringen ihre Material-, Technologie- und Marktkompetenz in die Kooperation ein. Dabei wird ESK für die SGL Group Blöcke aus dem Keramikwerkstoff Siliciumcarbid (SSiC) fertigen. Damit wird der Einsatz von Wärmetauschern der SGL Group zukünftig auch bei industriellen Prozessen mit stark korrosiven und zugleich oxidierenden Medien bzw. Anwendungen mit hohen Reinheitsanforderungen möglich.

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Kombiniert zum Ziel

Plate&Shell-Apparate von Spirax Sarco vereinen beispielsweise die Eigenschaften von Platten- und Rohrbündel-Wärmetauschern. Die voll verschweißte Rundplattengruppe, eingebaut in einem zylindrischen Mantel (Druckbehälter), bewältigt Aufgaben, für die sonst nur Rohrbündel-Wärmetauscher eingesetzt werden können. Durch die geprägten Platten entsteht eine hohe Turbulenz, die zu höheren K-Werten und damit zu einer Reduzierung der Wärmeübertragungsfläche führt. Es sei eine enge Temperaturannäherung möglich, so der Hersteller. Er empfiehlt den Einsatz solcher Wärmetauscher vor allem für kritische Prozessanwendungen, aber auch bei überhitztem Dampf oder bei besonders hohen Drücken.

Für den Einsatzfall ‚Dampf’ offeriert dieser Hersteller alternativ seine Turflow-Drallrohr-Wärmetauscher. Hintergrund dieser Entwicklung: Während Dampf über einen hervorragenden Wärmeübergang verfügt, ist dies bei Sekundärmedien, z.B. Wasser, nicht immer der Fall. Erst bei turbulenter Strömung lassen sich akzeptable Wärmeübertragungswerte erreichen. Die Wärmetauscher verfügen daher über Drallrohre, um diese Turbulenz zu erzeugen. Trotzdem ist die innere Oberfläche so glatt, dass sie nicht zur Belagsbildung neigt und auch hygienischen Anforderungen genügt. Der Edelstahl-Apparat kann einfach in eine Rohrleitung integriert werden, wobei das Sekundärmedium durch die Drallrohre fließt, während der Dampf im Mantel des Wärmetauschers kondensiert. Leitungsausdehnungen gleicht ein integrierten Kompensator aus.

Wärmetauscher komplett aus Edelstahl

Dank des selbst entwickelten Fertigungsverfahrens Alfafusion kann Alfa Laval Kompakt-Wärmetauscher komplett aus Edelstahl anbieten: Da die Platten über eine Transient-Liquid-Phase-Verbindung (TLP) zusammengefügt werden, weisen die Verbindungen ähnliche chemische und mechanische Eigenschaften wie das Plattenmaterial auf. Die so gefertigten Wärmetauscher der dichtungsfreien Baureihe Alfanova eröffnen eine Vielzahl neuer Einsatzmöglichkeiten – vor allem dort, wo gedichtete oder semi-geschweißte Platten-Wärmetauscher aufgrund von hohen Temperaturen und/oder Drücken an ihre Grenzen stoßen oder für die Fluide keine geeignete Dichtungsqualität zur Verfügung steht.

Anwendungen sind der Einsatz für Heiz- oder Kühlaufgaben, als Rekuperator z.B. für Lösungsmittel oder Biodiesel und Bioethanol-Produkte sowie allgemein in der Wärmerückgewinnung. Auch ein Einsatz als Gaserhitzer, Gaskühler, Kondensator oder Reboiler ist möglich. Die solide Edelstahlkonstruktion bietet eine hygienische Wärmeübertragung auch im pharmazeutischen Bereich.

Wärmetauscher mit Dichtung oder voll verschweißt

Gedichtete Platten-Wärmetauscher offeriert GEA Ecoflex mittlerweile auch als kleinere Modelle (NT 50 und NT 100) für Volumenströme zwischen zehn und 200 m³/h. Eine Besonderheit ist die Prägestruktur: Das optimierte Plattendesign erfordert bei gleicher Leistung weniger Wärmeübertragungsfläche. Vielseitig zeigt sich die NT-Serie auch in der Materialauswahl: Platten aus Edelstahl, Titan, Alloys oder Tantal in Verbindungen mit Dichtungen aus NBR, EPDM bzw. für Sonderanwendungen aus Viton oder anderen Elastomeren. Sicherheit und große Wärmeübertragungsflächen bieten die voll verschweißten Platten-Wärmetauscher GEAShell. Sie sind äußerst belastbar: Temperaturen zwischen –200 °C und +950 °C und hohe Betriebsdrücke bis 100 bar seien aufgrund der besonderen Konstruktion kein Problem, so der Hersteller.

Wirtschaftlich durch Wartung

Auch nicht sichtbare Verschmutzungen verringern die Leistungsfähigkeit eines Platten-Wärmetauschers. Abhilfe bietet das Alfacheck-System von Alfa Laval, eine zustandsabhängige Leistungsüberwachung für Flüssig/Flüssig-Platten-Wärmetauscher. Dabei wird auf der Grundlage der tatsächlichen Betriebsbedingungen während des Betriebs bestimmt, ob und wann eine Reinigung erforderlich ist.

Alfacheck umfasst neben Temperatur- und Durchflussmesseinheiten einen tragbaren Computer mit einem komplexen Wärmeanalyseprogramm. Das System führt auf Grundlage aktueller Betriebsbedingungen eine Wärmeanalyse der tatsächlichen und der theoretisch möglichen maximalen Wärmeübertragungsleistung durch. Auf der Basis einer Zustands- oder Trendanalyse der Betriebsbedingungen und der Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers sind Empfehlungen für eine Reinigung bzw. andere Arbeiten möglich.

Auf Wartungs- und Reparaturarbeiten von Wärmetauschern ist AKK Industrieservice spezialisiert. Hierzu hat das Unternehmen ein Verfahren entwickelt, um Platten-Wärmetauscher zu rekonditionieren. Kernelemente der Prozedur sind eine Wanddickenmessung bei Verdacht auf Erosion, eine Prüfung auf Haarrisse und Korrosion sowie ein Bekleben der Platten mit einer neuen Dichtung.

Fazit: Aufgrund der stetigen Weiterentwicklung von Wärmetauschern und deren Fertigungsverfahren erschließen sich den Anwendern neue Einsatzgebiete. Wartungssysteme und Serviceleistungen machen Wärmetauscher zu zuverlässigen und wirtschaftlichen Helfern der Chemie- und Pharmaindustrie.

Der Autor ist redaktioneller Mitarbeiter bei PROCESS.

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