Leistungsdatenvergleich von Kopfkondensatoren WTP-Plattenkondensator versus Rohrbündel – wer macht das Rennen?

Im Rahmen des Innova²-Verbundprojektes zur Steigerung der Energieeffizienz von Produktionsprozessen hat LOB zusammen mit Bayer Technology Services zwei Bauarten von Kopfkondensatoren im Hinblick auf ihre Energieeffizienz verglichen: Einen Rohrbündel-Wärmetauscher und einen WTP-Plattenwärmetauscher.

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Im Technikum der Bayer Technology Services in Leverkusen wurden ein WTP-Plattenwärmetauscher mit ca. 10 m² und ein verfahrenstechnisch vergleichbares Rohrbündel 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 neue verfahrenstechnische Modellrechnungen hinzuzufügen.

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Haupteigenschaften des WTP-Systems

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 Rohrbündel-Wärmetauscher 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, so dass 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.

Die Versuchsdurchführung

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. Die Grafik 1 in der Bildergalerie zeigt als Ergebnis, dass bei 200 mbar der WTP Plattenkondensator bei gleicher Wärmeleistung deutlich bessere Ergebnisse erbringt.

Die Versuchsergebnisse

Einen typischen Temperaturverlauf über die Lauflänge, gemessen zwischen den Platten, zeigt die Grafik 2 in der Bildergalerie. 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.

Bildergalerie

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.

Das WTP-System ist beim Test um 25 bis 35 % energieeffizienter.

Vergleich der Messwerte von WTP-Plattenkondensator und Rohrbündel mit bisherigen Rechenmodellen

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.

* Kontakt zu LOB: Tel. +49-221-829530

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