Wirtschaftliche und effiziente Einordnung von Wärmetauschern zur Auskopplung von Abwärme in der Industrie

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungs- und Formelzeichenverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Ziel der Projektarbeit
1.2 Aufbau der Projektarbeit

2. Theoretische Grundlagen
2.1 Wertigkeit der Energie-Systeme zur Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung
2.2 Allgemeines zu Wärmeübertragern
2.3 Wärmeübertragung
2.4 Stoffführung in Wärmeübertragern

3. Darstellung und Differenzierung verschiedener Wärmeübertrager
3.1 Wärmeübertragertypen
3.2 Doppelrohrwärmeübertrager
3.2.1 Aufbau und Funktionsweise
3.2.2 Vorteile und Nachteile
3.2.3 Anwendungsbereich
3.2.4 Technische Kenngrößen
3.3 Plattenwärmeübertrager
3.3.1 Aufbau und Funktionsweise
3.3.2 Vorteile und Nachteile
3.3.3 Anwendungsbereich
3.3.4 Technische Kenngrößen und Besonderheiten
3.3.5 Differenzierung der Plattenwärmeübertragerarten
3.4 Lamellen- bzw. Gegenstrom- Schichtwärmeübertrager
3.4.1 Aufbau und Funktionsweise
3.4.2 Vorteile und Nachteile
3.4.3 Anwendungsbereich
3.4.4 Technische Kenngrößen
3.5 Rohrbündelwärmeübertrager
3.5.1 Aufbau und Funktionswese
3.5.2 Vorteile und Nachteile
3.5.3 Anwendungsbereich
3.5.4 Technische Kenngrößen
3.6 Rotationswärmeübertrager
3.6.1 Aufbau und Funktionsweise
3.6.2 Vorteile und Nachteile
3.6.3 Anwendungsbereich
3.6.4 Technische Kenngrößen
3.7 Wärmerohr- Wärmeübertrager (Heatpiper)
3.7.1 Aufbau und Funktionsweise
3.7.2 Vorteile und Nachteile
3.7.3 Anwendungsbereich
3.7.4 Technische Kenngrößen
3.8 Rippenrohrwärmeübertrager
3.8.1 Aufbau und Funktionsweise
3.9 Vorteile und Nachteile
3.9.1 Anwendungsbereich
3.9.2 Technische Kenngrößen
3.10 Spiralwärmeübertrager
3.10.1 Aufbau und Funktionsweise
3.10.2 Vorteile und Nachteile
3.10.3 Anwendungsbereich
3.10.4 Technische Kenngrößen
3.11 Winderhitzer (Cowper)
3.11.1 Aufbau, Funktionsweise und Anwendungsbereich
3.11.2 Bauarten von Cowpern und ihre Vor- und Nachteile

4. Wirtschafts- und Effizienzkriterien für Wärmeübertrager
4.1 Effizienzkriterien
4.2 Wirtschaftskriterien
4.3 Kriterien für eine Abwärmenutzung
4.4 Wirtschaftlichkeit & Kostenanalyse
4.5 Eckpunkte für die Umsetzung einer Abwärmenutzung
4.6 Anhaltswerte für die Auslegung von Wärmeübertragern

5. Übersicht und Gegenüberstellung der Wärmeübertrager
5.1 Vergleich der Wärmeübertrager anhand der Effizienzkriterien
5.2 Vergleichende ökonomische Betrachtung der Wärmeübertrager

6. Fazit

Anhang

Literaturverzeichnis

Abstract

Bei der Planung und Umsetzung von Prozessen und Anlagen wird heutzutage großen Wert auf die Energieeffizienz gelegt, um den CO2- Ausstoß zu verringern und damit die Umwelt, insbesondere die Atmosphäre, zu entlasten. Dazu soll vor allem der Einsatz von Primärenergie minimiert werden. Auch von politischer Seite her wird diese Zielsetzung verfolgt. Daher wurde am 01. Oktober 2009 die Energiesparverordnung in Kraft gesetzt.

Die Verwendung von Wärmeübertragern zur Prozessoptimierung durch die Abwärmenutzung in den Industrien, stellt bislang eine erfolgsversprechende Methode zur Effizienzsteigerung dar. Die Nutzung dieser innovativen Wärmerückgewinnungsapparate ermöglicht den Primär- energieverbrauch in Gewerbegebieten und den damit verbundenen CO2- Ausstoß erheblich zu reduzieren. Daher wird in dieser Projektarbeit auf verschiedene Wärmeübertrager einge- gangen und das Anwendungspotential der Wärmeübertrager, unter Berücksichtigung ver- schiedener Einsatzbereiche, unter den Aspekten der Wirtschaftlichkeit, ökologischen Vorteile und Effizienz näher untersucht.

Es wird deutlich, dass die Integration bzw. Installation eines Wärmeübertragers in die Prozesse und Anlagen in den Industrien und im Gewerbe, einerseits zu erheblichen Effizienzsteigerungen führt und zum anderen führt dies zu Kosten- und Energieeinsparungen.

Abkürzungs- und Formelzeichenverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Vorteile und Nachteile DRWÜ[9]

Tabelle 2: Wärmedurchgangskoeffizient DRWÜ[13]

Tabelle 3: Vorteile und Nachteile PWÜ[16][17]

Tabelle 4: Wärmedurchgangskoeffizient PWÜ[13]

Tabelle 5: Technische Daten PWÜ

Tabelle 6: Vor- und Nachteile LWÜ [15, p. 278]

Tabelle 7: Technische Daten LWÜ[15]

Tabelle 8: Arten von Strömungsführungen[22]

Tabelle 9: Vor- und Nachteile RBWÜ [15, p. 268]

Tabelle 10: Wärmedurchgangskoeffizient [10, p. 93]

Tabelle 11: Technische Daten von RBWÜ

Tabelle 12: Vor- und Nachteile RWÜ [27, p. 197][28]

Tabelle 13: Technische Daten[30]

Tabelle 14: Motordaten nach Klingenburg GmbH[25]

Tabelle 15: Wärmeträger für Wärmerohr und ihre Betriebstemperatur[31]

Tabelle 16: Vor- & Nachteile WRWÜ [31, pp. 12-14]

Tabelle 17: Technische Daten WRWÜ

Tabelle 18: Vor- & Nachteile RRWÜ[1][12]

Tabelle 19: Vorteile und Nachteile SWÜ[16]

Tabelle 20: Technische Daten SWÜ[15]

Tabelle 21: Vergleich der Wärmeübertrager; (*wenn keine Datensätze vorhanden waren, würde verglichen)

Tabelle 22: Vergleich anhand der Einsatzbereiche

Tabelle 23: Bewertung/Benotung der Wärmeübertrager

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schematische Darstellung DRWÜ[12]

Abbildung 2: Schema PWÜ[12]

Abbildung 3: Führung von Durchflussmedien in einem einwegigen PWÜ[14]

Abbildung 4: Führung von Durchflussmedien in einem mehrwegigen PWÜ[14]

Abbildung 5: Übersicht und Anwendungsfälle[19]

Abbildung 6: Gedichteter, Gelöteter, Geschweißter PWÜ[11]

Abbildung 7: Lamellenelement [15, p. 279]

Abbildung 8: Schema GSWÜ[12]

Abbildung 9: Schema RBWÜ[12]

Abbildung 10: Anwendung und Anwendungsfälle[19]

Abbildung 11: Schema /Prinzipskizze eines RWÜ[25][12]

Abbildung 12: Schema eines WRWÜ[12]

Abbildung 13: Schema eines Rippenrohrwärmeübertragers[12]

Abbildung 14: Schema/ Prinzipskizze Spiralwärmeübertrager[12][33]

Abbildung 15: Schema[12]und Beispiel[35]Winderhitzer

Abbildung 16: Strömungsführung[36]

Abbildung 17: Ausgangswerte und Kenngrößen für Wärmerückgewinner[42]

Abbildung 18: Temperaturverlauf in den Medien bei Gleichstrom[8]

Abbildung 19: Beispielberechnung nach VDI 2071 [43]

1. Einleitung

Das 21. Jahrhundert zeigt eine rasante Entwicklung der Globalisierung in Form von weltwei- ter Vernetzung, Ressourcen und Menschen. Die Menschheit legt einen großen Wert darauf, die Erde und ihre Umgebung zu schonen und lebenswerter zu gestalten. Durch den Abbau der Grenzen und Strukturen vor der Globalisierung, entstehen zwei wesentliche Probleme, die heute verstärkt wahrgenommen werden. Diese Probleme beschränken sich auf die Aus- nutzung und auf die Zerstörung des Ökosystems Erde. Dieser weltweite Trend der Zerstö- rung ist erst durch die Globalisierung in Erscheinung getreten. Um in Zukunft diese Zerstö- rung und zugleich Ausbeutung der Ressourcen, sowie die stetig steigende Erderwärmung (u.a. die Abwärme, die durch Prozesse und Anlagen in die Umwelt gelangen) zu stoppen, müssen viele Prozesse optimiert werden.

Eine Optimierung der Prozesse ermöglicht die Zweitnutzung der Abwärme in den Industrien und Gewerben. Durch die Nutzung der vorhandenen Abwärmepotentiale kann eine Effizi- enzsteigerung erreichet werden, dies bewiesen die neuesten Studien. Die besten Erfolgs- aussichten dafür bieten Wärmeverbundnetze zwischen Abwärmequellen und Wärmesenken. Dieser innovative und nachhaltige Weg ermöglicht den Primärenergieverbrauch in Gewerbe- gebieten und den damit verbundenen CO2- Ausstoß erheblich zu reduzieren. Die Abwärme liegt in den einzelnen Produktionsprozessen der verschiedenen Industriezweige auf unter- schiedlichen Temperaturniveaus vor¹. Eine wichtige Komponente für die Wärmerückge- winnung in Prozessen ist der Wärmeübertrager. Durch ihn kann Abwärme direkt oder über ein Zwischenmedium auf einen anderen Prozess übertragen werden. Zur Auskopplung von Abwärme ist die Verwendung von Wärmeübertragern daher unumgänglich [Quelle: Aufga- benstellung].

1.1 Ziel der Projektarbeit

Ziel dieser Arbeit ist es, Wärmeübertrager anhand von Wirtschafts- und Effizienzkriterien unterschiedlichen Anwendungsbereichen zuzuordnen.

Diese Projektarbeit wird sich auf die folgenden neun wesentlichen Wärmeübertrager beschränken:

- Doppelrohrwärmeübertrager
- Plattenwärmeübertrager
- Lamellenwärmeübertrager/ Gegenstrom-Schichtwärmeübertrager
- Rohrbündelwärmeübertrager
- Rotationswärmeübertrager
- Rippenrohrwärmeübertrager
- Spiralwärmeübertrager
- Wärmerohr- Wärmeübertrager
- Winderhitzer

1.2 Aufbau der Projektarbeit

Die vorliegende Projektarbeit umfasst insgesamt sechs Kapitel, ein Verzeichnis mit den ver- wendeten Abkürzungen und Symbolen, ein Literatur- bzw. Quellenverzeichnis und zudem noch Anhänge, die der Visualisierung dienen. Die einzelnen Kapitel werden im Folgenden näher erläutert.

Das erste Kapitel, welches auch dieses Unterkapitel umfasst, erläutert zunächst das Ziel dieser Arbeit, wobei vorab der Hintergrund des Themas erläutert wird.

Im zweiten Kapitel werden einige theoretische Grundlagen zur Wärmeübertragung vermittelt. Im Wesentlichen werden jedoch die Kenntnisse bzw. Grundlagen der Wärme- und Stoffübertragung, Strömungsmechanik und Thermodynamik vorausgesetzt.

Im dritten Kapitel geht es um die Darstellung und Differenzierung der Wärmeübertrager. Folglich werden nach einer allgemeinen Einführung zu Wärmeübertragern alle für die Diffe- renzierung notwendigen Informationen der Wärmeübertrager erläutert. Dabei werden, aus- gehend von den verschiedenen Arten des Wärmeaustauschers, der Aufbau und die Funktio- nen, alle Vor- und Nachteile, die die jeweiligen Wärmeübertrager aufweisen, beschrieben. Des Weiteren werden alle typischen Anwendungsbereiche der Wärmeübertrager genannt. Mit den technischen Kenngrößen werden die jeweiligen Unterkapitel zu den Wärmeübertragern abgeschlossen.

Das vierte Kapitel befasst sich mit der Entwicklung bzw. Beschreibung, die für den Vergleich der Wärmeübertrager relevanten Wirtschafts- und Effizienzkriterien. Zunächst werden die Wirtschaftskriterien und daraufhin die Effizienzkriterien festgelegt, anschließend wird ein Bezug zu der Wirtschaftlichkeit der Wärmeübertrager hergestellt.

Im fünften Kapitel wird schließlich intensiv auf das eigentliche Thema, nämlich der wirtschaftlichen und effizienten Einordnung der Wärmeübertrager, eingegangen. Dabei werden die einzelnen Wärmeübertrager mittels der Effizienzkriterien und den technischen Kenngrößen miteinander verglichen.

Im sechsten und letzten Kapitel wird der wesentliche Inhalt der Arbeit kurz zusammengefasst und ein kurzes Fazit gezogen.

2. Theoretische Grundlagen

2.1 Wertigkeit der Energie-Systeme zur Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung

Die Nichtnutzung der Abwärme findet seit einigen Jahren breiten Raum in der Diskussion um die Gefährdung unserer Umwelt. Alle technischen Energieumsetzungen sind mit Verlusten verbunden, wobei hochwertige Energie in Wärme umgewandelt wird. Die dabei entstehende Abwärme kann unter bestimmten Voraussetzungen wieder in einem anderen Prozess ver- wertet werden oder im gleichen Prozess wieder genutzt werden. Die Entscheidung, ob die Energie sinnvoll wieder genutzt werden kann, hängt von der Wertigkeit der Energie selbst ab.

Die Energie lässt sich nach zwei wesentlichen Kriterien differenzieren, zum einen nach der Form ihres Auftretens und zum zweiten nach ihrer Wertigkeit. Bei der auftretende Form er- geben sich zum einen die speicherbaren Energien, z.B. die innere Energie und die Enthalpie und zum zweiten die systemgrenzüberschreitenden Energien in Form von Wärme und Ar- beit. Die zweite Differenzierungsmöglichkeit der Energie ist das Kriterium der Wertigkeit. Deutlich wird die Wertigkeit der Energieformen besonders durch die Umwandelbarkeit in an- dere Energieformen . Während elektrische Energie beliebig in andere Energieformen, z.B. mechanische Energie oder auch thermische Energie umgewandelt werden kann, lässt sich z.B. thermische Energie nicht voll in elektrische Energie verwandeln. Die Anteile der Energie- formen, die unbeschränkt umwandelbar sind, werden als Exergie bezeichnet, während die nicht umwandelbaren Anteile als Anergie benannt werden. In diesem Sinne lassen sich all- gemeine Grundsätze für die Umwandelbarkeit der einzelnen Energieformen aufstellen:

1 Unbeschränkt umwandelbare Energieformen: Exergie
2 Beschränkt umwandelbare Energieformen: Exergie und Anergie
3 Nichtumwandelbare Energieformen: Anergie².

Für den 1. Hauptsatz der Thermodynamik gilt demzufolge folgende Formulierung: „In einem geschlossenen System bleibt die Summe der Exergien und Anergie konstant“.

Daraus folgt für den 2. Hauptsatz: „Bei irreversiblen Prozessen eines abgeschlossenen Systems wird Exergie in Anergie umgewandelt. Bei reversiblen Prozessen bleibt die Exergie konstant. Anergie kann nicht in Exergie umgewandelt werden“³.

Daraus lässt sich entnehmen, dass mit Exergie problemlos Anergie als Wärme auf dem Niveau der Umgebungstemperatur erzeugt werden kann, während aus Wärme bei Umgebungsniveau keine Exergie gewonnen wird ^{2 3}.

2.2 Allgemeines zu Wärmeübertragern

Wärmeübertrager sind Apparate, die Wärme in Richtung eines Temperaturgefälles zwischen zwei oder mehr fluiden Stoffströmen übertragen. Sie dienen der Zustandsänderung dieser Fluide (Kühlen, Heizen, Verdampfen, Kondensieren bzw. Änderung physikalischer Eigenschaften z.B. Viskosität oder Löslichkeit durch Temperaturänderungen) oder helfen, bspw. durch Abwärmenutzung, Prozesse wirtschaftlicher werden zu lassen.

Ein Wärmeübertrager kommt überall dort zum Einsatz, wo thermische Energie von einem Element auf ein anderes übertragen werden soll. Dabei kann es sich um zwei gasförmige, zwei flüssige oder ein gasförmiges und ein flüssiges Medium handeln. Sie treten in einer Vielzahl von technischen Anwendungen auf. Der Wärmetransport verläuft gemäß dem zwei- ten Hauptsatz der Thermodynamik stets vom Medium mit der höheren Temperatur zum Me- dium mit der niedrigeren Temperatur⁴. Die Wärmeübertrager sind meist in größeren Anla- gen integriert. Deren Bauart wird weitgehend durch die in dieser Anlage ablaufenden Pro- zesse und auch die speziellen Erfordernisse der Anlage bedingt. Die vielen verschiedenen Bauformen von Wärmeübertragern werden im Wesentlichen bestimmt durch:

a) Die äußeren Prozessgrößen, denen der Wärmeübertrager genügen soll: hierzu gehö- ren die Temperaturen, auszutauschende Wärmeströme und Mengenströme,
b) die für die Dimensionierung maßgebenden Größen, wie Strömungsführung im Inne- ren, erforderliche Wanddicken und Werkstoffe, sowie
c) die thermophysikalischen Eigenschaften der Stoffströme, die ebenfalls entscheidend für die Wahl und Bauart eines Apparates sind [5, p. 14].

2.3 Wärmeübertragung

Die Wärmeübertragung ist die Übertragung von Energie in Form eines Wärmestroms. Sie erfolgt stets dort, wo Temperaturunterschiede innerhalb eines Mediums existieren oder zwischen Medien mit unterschiedlichen Temperaturen. Die Energie bzw. die Wärme wird dabei stets vom Medium mit der höheren Temperatur zum Medium mit der niedrigeren Temperatur übertragen. Die Übertragung von Energie bzw. Wärme von einem Medium auf ein anderes oder von einem Körper auf seine Umgebung kann erfolgen durch

- Wärmeströmung (Konvektion): Energietransport entsteht infolge atomarer oder mo- lekularer Wechselwirkungen unter dem Einfluss von Temperaturunterschieden.
- Wärmestrahlung: Energietransport erfolgt infolge Wärmeleitung
- Wärmeleitung: Energietransport erfolgt infolge elektromagnetischer Wellenausbrei- tung

Diese drei Arten der Wärmeübertragung können einzeln, aber auch zusammen auftreten^{6 7}. In Wärmeübertragern sind die Fluidströme meist durch eine Rohr- oder Blechwand von- einander getrennt, durch die die Wärme vom Fluid mit der höheren Temperatur auf das käl- tere Fluid übertragen wird. Der somit übertragene Wärmestrom lässt sich durch Gl. (2.1) bestimmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Wärmedurchgang soll in einem Wärmeübertrager möglichst gut sein. Dem entgegen steht oft ein großer thermischer Widerstand. Er hat seine Ursache in einem kleinen Wärmedurchgangskoeffizienten :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die charakteristische Länge für den Wärmeübergang hat eine große Bedeutung. Während die Nu- Zahl beim Einsatz von Gasen und Flüssigkeiten in gleicher Größenordnung liegt, ist die Wärmeleitfähigkeit λ und damit auch der Wärmeübergangskoeffizient in Gasen um ein bis zwei Größenordnungen kleiner als in Flüssigkeiten. Deshalb ist eine Vergrößerung von besonders bei Gasströmungen von Bedeutung. Eine Erhöhung von bedeutet die Vergrößerung des Temperaturgradienten an der Wand, da Wärme in unmittelbarer Wandnähe nur durch molekularen Transport übertragen wird⁷. Die Vergrößerung des Temperaturgradienten an der Wand kann durch eine Verkleinerung der Wandschichtdicke mittels Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden. Der Nachteil ist, dass der Anstieg der Wärmeübertragungsleistung im turbulenten Bereich zu einem überproportionalen Anstieg der Förderleistung führt. Eine zweite Möglichkeit den Wärmedurchgang zu verbessern, besteht in der Vergößerung der Wärmeübertragungsfläche

A. Eine Flächenvergrößerung auf der Seite des kleineren Wärmeübertragungskoeffizienten ist durch das Anbringen von Rippen zu erreichen. Gase werden infolge ihrer guten Verfügbarkeit sehr häufig als Heiz- und Kühlmittel benutzt. Sie verursachen aufgrund ihrer niedrigen Werte für die Wärmeleitfähigkeit und Dichte einen sehr viel größeren Wärmeübertragungswiderstand als die Flüssigkeit und haben daher einen geringeren Wärmedurchgangskoeffizienten. Aus diesem Grund werden Rippen oder Lamellen immer auf der Gasseite eines Gas- Flüssigkeits- Wärmeübertragers angebracht⁸.

2.4 Stoffführung in Wärmeübertragern

Eine entscheidende Rolle beim Wärmedurchgang spielt die Temperaturdifferenz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

zwischen den beiden Seiten der Wärmeübertragerwand, welche vor allem von der Stofffüh- rung im Wärmeübertrager abhängig ist. Wärmeübertrager können, je nach Einsatzgebiet und zu erreichendem Betriebspunkt, mit unterschiedlichen Stromführungen betrieben werden. Die unterschiedlichen Stromarten ergeben sich durch gegenseitige Strömungsrichtungen der Medien. Strömen sie parallel und in gleicher Richtung, liegt Gleichstrom vor. Bei entgegen- gesetzter Strömungsrichtung liegt Gegenstrom vor. Strömen sie senkrecht zueinander, ist ein Kreuzstrom gegeben. Ein- oder mehrfache Umlenkungen der Medienströme im Apparat führen zu gemischten Stromführungen, wie Kreuz-Gegenstrom oder Gleich-Gegenstrom. Bei Gegenstrom tritt die größte, bei Gleichstrom die kleinste mittlere Temperaturdifferenz zwischen der Eintritts- und Austrittstemperatur auf. Mit größerer Temperaturdifferenz steigt der übertragene Wärmestrom . Damit erreicht man mit der Gegenstromführung den größ- ten Wärmestrom. Jedoch lassen sich nicht alle Wärmeübertragungsaufgaben, die bei Gegenstrom realisiert werden, auch mit Gleichstrom verwirklichen. Bei gleicher übertragener Wärmeleistung, hat ein Gegenstrom- Wärmeübertrager stets eine kleinere Übertragungsflä- che als ein Gleichstrom- Wärmeübertrager. Daher findet die Gleichstromführung in der Pra- xis selten Anwendung ^{8 9}. In jedem Fall ermöglicht das Gegenstromprinzip, dass das zu erwärmende Medium am Ende des Wärmetausches eine höhere Temperatur als das abge- kühlte Heizmedium haben kann (weniger Heizfläche = Kostenersparnis). Aufgrund dessen ist bei der Wahl des richtigen Wärmeübertragers auch darauf zu achten, welche Stoffführung vorhanden ist, da diese einen wesentlichen Beitrag zur Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Anlage bzw. Wärmeübertragers leistet. Doch dieses Thema wird im vierten Kapitel näher- thematisiert.

3. Darstellung und Differenzierung verschiedener Wärmeübertrager

An dieser Stelle wird ein Überblick über die wichtigsten und gängigsten Wärmeübertrager gegeben. Dabei werden alle Informationen gegeben, die zur Differenzierung der Wärmeübertrager beitragen.

3.1 Wärmeübertragertypen

Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen haben sich ebenso unterschiedliche Bauformen mit teilweise stark unterschiedlichen Funktionsweisen für die jeweiligen Anwen- dungen durchgesetzt. Allen gemeinsam ist jedoch, dass der Wärmetransport gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik stets vom Medium mit der höheren Temperatur zum Medium mit der niederen Temperatur verläuft. Je nachdem, ob die am Wärmeaustausch be- teiligten Medien in direkten Kontakt zueinander geraten oder nicht, unterscheidet man zu- nächst in direkte und indirekte Wärmeübertrager. Direkt bedeutet, dass bspw. eine Abküh- lung durch direkten Kontakt mit der Umgebungsluft stattfindet. Ohne direkten Kontakt der Medien, läuft die Wärmeübertragung in den als Mischwärmeübertrager, Rekuperator und als Regenerator bezeichneten Wärmeübertragern ab. Diese Wärmeübertragertypen werden im Folgenden näher erläutert

Die Rekuperatoren sind die umfangreichste Wärmeübertragergruppe. Ihr charakteristisches Merkmal ist, dass sich zwischen den Medienströmen stets eine Trennwand befindet (indirekte Wärmeübertragung). Diese wird als Wärmeübertragungsfläche bezeichnet. Die Wärmeübertragung ist somit durch zwei Wärmeübergänge der jeweiligen Medien mit der Wand und der Wärmeleitung durch die Trennwand gekennzeichnet.

Bei Regeneratoren wird die Fähigkeit zur Speicherung von Wärmeenergie eines Speicher- mediums genutzt. Die an der Wärmeübertragung beteiligten Medien überströmen oder durchströmen abwechselnd dieses Speichermedium und nehmen so abwechselnd Wärme auf bzw. geben Wärme ab. Dabei kann es zu mehr oder weniger leichter Vermischung der Gasströme kommen, da beide Ströme im Wechsel die gleichen Strömungskanäle passieren. Unter Umständen wird neben Wärme auch Feuchte übertragen⁸ [10, pp. 11- 12].

Beim Mischwärmeübertrager erfolgt die Wärmeübertragung durch unmittelbare Berührung oder Mischung des warmen und des kalten Fluides ¹¹.

Darstellung und Differenzierung verschiedener Wärmeübertrager 8

Eine weitere Unterteilung der Wärmeübertrager hinsichtlich Arbeitsweise, Stromführungen und beteiligten Medien wurde in Kap. 2 vorgenommen und wird in diesem Kapitel näher er- läutert.

Im Folgenden werden die gängigsten Bauformen von Wärmeübertragern vorgestellt. Sie sind in drei Kategorien geordnet, welche sich auf den Aggregatzustand der Wärmequelle (Primärmedium) und der Wärmesenke (Sekundärmedium) beziehen.

(1) Primär- und Sekundärmedium sind jeweils gasförmig (z.B. Ab- und Frischluft)

- Dazu gehören der Rotationswärmeübertrager, Wärmerohr-Wärmeübertrager und der Winderhitzer

(2) Bei Primär- und Sekundärmedium handelt es sich um je ein gasförmiges und ein flüs- siges Medium (z.B. Abgas und Trinkwasser)

- Dazu gehören der Rippenrohrwärmeübertrager, Spiralwärmeübertrager und der Lamellenwärmeübertrager

(3) Wärmequelle und -senke sind flüssige Medien (z.B. abzuleitende Prozesswässer und Wasser des Heizkreises)

- Dazu gehören der Plattenwärmeübertrager, Rohrbündelwärmeübertrager und der Doppelrohrwärmeübertrager¹².

3.2 Doppelrohrwärmeübertrager

3.2.1 Aufbau und Funktionsweise

Der Doppelrohrwärmeübertrager ist die einfachste Form eines Plattenwärmeübertrager. Er besteht aus zwei koaxial angeordneten Rohren, die sowohl primär als auch sekundär berippt sein können, um so die wärmeübertragende Fläche zu vergrößern. Abbildung 1 zeigt im In- nenrohr den Heißwasserstrom, der abgekühlt wird. Durch die konzentrische Lage des Innen- rohres im Mantelrohr ergibt sich für den äußeren Strömungsquerschnitt ein Ringspalt. Durch den Ringspalt wird das Kühlmedium geführt, welches durch den Heißwasserstrom erwärmt wird. Die Rohre sind an den Enden zur Bildung eines Strömungskanals miteinander verbun- den. Die Medien fließen im Gegenstrom zueinander ¹². In dieser Abbildung ist das Gegen- stromprinzip anschaulich dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Schematische Darstellung DRWܹ²

3.2.2 Vorteile und Nachteile

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Vorteile und Nachteile DRWÜ⁹

Ein Schwachpunkt dieses Wärmeübertragers, ist die Anfälligkeit gegen Leckströme zwischen Rohrbündel und Kesselmantel, die die Leistungsfähigkeit des Gerätes einschränken.

3.2.3 Anwendungsbereich

Doppelrohrwärmeübertrager finden in vielen Bereichen Anwendung. Sie werden als Verflüssiger in der Kältetechnik und in Kraftwerken eingesetzt. Außerdem finden sie auch Anwendung in der Solartechnik und in Kaminöfen¹².

3.2.4 Technische Kenngrößen

Doppelrohrwärmeübertrager weisen eine Vielfalt von Rohrdurchmessern auf. Diese reichen von wenigen mm bis zu ca. 1 m. Je nach Bauart und verwendetem Medium weist der Doppelrohrwärmeübertrager einen Wärmedurchgangskoeffizienten von 350 - 1400 W/m² K auf. Die thermische Leistung ist mit maximal 3500 kW im Vergleich zu anderen Wärmeübertragern eher gering. Durch Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die beste Wärmeübertragung durch den Einsatz in Flüssigkeiten gewährleistet wird (kmax = 30 - 1400).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Wärmedurchgangskoeffizient DRWܹ³

3.3 Plattenwärmeübertrager

3.3.1 Aufbau und Funktionsweise

Ein Plattenwärmeübertrager besteht aus Paketen gleichartiger dünnwandiger Metallplatten (Lamellen, daher auch zu vgl. mit Lamellenwärmeübertrager) mit Dichtungen, die zwischen einer feststehenden Stativ-Platte und einer Spannplatte durch Zuganker zusammengehalten werden. Die Platten sind meist rechteckig und haben vier ausgestanzte Öffnungen an den Ecken, durch die die beiden Medien zu- und abfließen können. Die Platten weisen zur Ver- größerung der Wärmeübertragerfläche ein wellenförmiges Profil (oder Fischgrätenmuster möglich) auf. Damit ist eine Intensivierung der Wärmeübertragung gegeben. In den aufei- nander folgenden Zwischenräumen fließt abwechselnd das zu erwärmende und das zu küh- lende Medium. Durch die Anordnung der Dichtungen wird erreicht, dass die beiden Fluid- ströme abwechselnd durch die Plattenzwischenräume geführt werden. Durch Einsetzen von Platten, bei denen eine der vier Öffnungen fehlt, kann der Weg der beiden Ströme durch das Plattenpaket so eingerichtet werden, dass eine beliebige Zahl von Kanälen hintereinander- geschaltet ist. Diese Bauart bietet daher mit einem gleichartigen serienmäßigen Bauelement eine Vielzahl von Schaltungsmöglichkeiten und Kombinationen von Stromführungen an ^{12 8}. In Abbildung 2 ist das Schema eines Plattenwärmeübertrager dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Schema PWܹ²

Es gibt sowohl einwegige, als auch mehrwegige Plattenwärmeübertrager. Üblicherweise werden einwegige PWÜ eingesetzt. Bei einwegigen PWÜ sind alle zu- und abführenden Rohrleitungen an der Festplatte, demnach auf derselben Seite, angeschlossen (siehe Abb.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Führung von Durchflussmedien in einem einwegigen PWܹ⁴

Enge Temperaturdifferenzen zwischen den Durchflussmedien können mehrwegige PWÜ erfordern. In diesem Fall befinden sich die Anschlussrohrleitungen an der Fest- und an der Losplatte, also auf beiden Seiten (siehe Abb. 4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Führung von Durchflussmedien in einem mehrwegigen PWܹ⁴

Das WÜ-Plattenpaket selbst, besteht aus einzelnen geprägten WÜ- Platten mit den dazuge- hörigen Plattendichtungen. Die Plattendichtungen grenzen die Durchflussmedien voneinan- der und von der Umgebung ab. Durch das Fischgrätenmuster wurde die Plattenprägung er- heblich stabiler und erlaubt bei nur 0,6 bis 0,8 mm dünnen Platten Betriebsdrücke bis 3,0 MPa. Die Prägung der Platten im Fischgrätenmuster verbessert die Wärmeübergangsver- hältnisse wesentlich. Durch die besondere Geometrie der Kanäle zwischen diesen Platten werden Wärmeübertragungszahlen erreicht, die ein Dreifaches einer vergleichbaren Rohr- strömung beim selben Druckverlust beitragen. Die hohen Turbulenzen in den Plattenkanälen verhindern, dass die Wärmeübertragungsfläche verschmutzt, weil sich aufgrund der hohen Scherkräfte der Flüssigkeit an der Wand Beläge nicht so schnell bilden können. Wird ein PWÜ in je einem Durchgang auf beiden Seiten beaufschlagt, erreicht man einen reinen Gegenstrom. Der reine Gegenstrom macht es möglich, dass sich die Temperaturen der Me- dien weitgehend annähern [15, p. 283].

3.3.2 Vorteile und Nachteile

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3: Vorteile und Nachteile PWÜ ^{16 17}

Wegen der Dichtungen und ungünstigen Plattenbauweise, werden diese Wärmeübertrager zumeist im Druckbereich bis 16 bar verwendet. Durch die kleinen Abstände zwischen den Platten und die starken Wirbel der Strömungen, werden hohe Wärmeübertragungskoeffizien- ten erreicht. Da diese Apparate wegen ihrer Bauweise relativ einfach gereinigt und gewartet werden können, sind die Verschmutzungsgefahr und damit ihr Versagen gering. Die Mög- lichkeit der einfachen, nachträglichen Anpassung an veränderte Betriebsbedingungen durch Austausch oder Hinzufügen von Platten, sowie die kompakte Bauweise und der damit ver- bundene geringe Flüssigkeitsinhalt werden häufig als die wichtigsten Vorteile der Plattenwärmeübertrager gegenüber anderen Bauarten genannt^{8 18}.

3.3.3 Anwendungsbereich

Haupteinsatzgebiet dieser Apparate ist die Wärmeübertragung zwischen flüssigen Medien. Sie werden in vielen Industriezweigen eingesetzt. Sie kommen zur Anwendung in der Chemie, Pharmazie, Kältetechnik, Energieversorgung, Haustechnik (Heiz- und Solartechnik), Umwelttechnik, Schwerindustrie, Marinesektor, Öl- und Gasindustrie, Papierindustrie und in der Lebensmittel- und Zuckerindustrie^{12 14}.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Übersicht und Anwendungsfälle¹⁹

3.3.4 Technische Kenngrößen und Besonderheiten

Plattenwärmeübertrager weisen in Bezug auf ihre geringe Größe eine sehr hohe Wärmestromdichte auf. Sie haben eine kompakte Bauweise mit hoher Wärmeübertragerfläche. Mit einem k-Wert von 1 - 4 kW/m² K (Tab. 4) zeigt dieser Wärmeübertrager einen sehr hohen Wärmedurchgangskoeffizienten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4: Wärmedurchgangskoeffizient PWܹ³

3.3.5 Differenzierung der Plattenwärmeübertragerarten

Es gibt drei Arten von Plattenwärmeübertrager, nämlich:

Gedichtete Plattenwärmeübertrager

Dieser Wärmeübertrager besteht aus einem Plattenpaket, das zwischen einer festen Front- platte mittels einer beweglichen Rückenplatte fixiert wird. Die Bauteile werden in einem Ge- stell montiert und mit Spannschrauben gegeneinander verspannt. Um eine Vermischung der Flüssigkeiten zu vermeiden, sind alle Platten mit einer umlaufenden Dichtung versehen. Die- se sind so ausgeführt, dass bei Leckage die Flüssigkeit nicht in den gegenüberliegenden Produktraum fließt, sondern nach außen hin austritt. Vorteilhaft ist die Demontierbarkeit, die es ermöglicht, zum einen den Apparat mechanisch zu reinigen und zum anderen durch Hin- zufügen oder Entfernen von Platten die Leistung einfach anzupassen. Die Einsatzgrenzen der PWÜ werden durch die Druckfestigkeit der Platten und die Temperaturbeständigkeit der Dichtungen bestimmt. Im Allgemeinen kann man PWÜ mit Dichtungen bis zu einem Be- triebsdruck von 25 bar und einer Temperatur von maximal 150 °C einsetzen [11, pp. 41-47].

Gelöteter Plattenwärmeübertrager

Bei dieser Bauform werden die einzelnen geprägten Platten mit Kupfer- oder Nikellot mitei- nander verlötet. Apparate können daher direkt und ohne Halterungen in die Rohrleitung ein- gesetzt werden. Wegen fehlender Dichtungen sind diese Apparate wartungsfrei, jedoch kön- nen sie nicht demontiert und mechanisch gereinigt werden. Eine nachträgliche Anpassung durch Vergrößerung oder Verkleinerung der Plattenanzahl ist ebenfalls nicht möglich [11, pp. 41-47].

Geschweißter Plattenwärmeübertrager

Für Sonderbauformen werden immer häufiger voll verschweißte PWÜ eingesetzt. Diese Konstruktionen haben den Vorteil, dass im Gegensatz zu den üblichen PWÜ keine Dich- tungsprobleme auftreten und sowohl die zulässige Betriebstemperatur als auch der zulässige Betriebsdruck höher ist. Nachteilig ist, dass die geschweißten Ausführungen nur bedingt me- chanisch gereinigt werden können, weil sich die Platten nicht mehr demontieren lassen [11, pp. 41-47].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Gedichteter, Gelöteter, Geschweißter PWܹ¹

Durch die effiziente Arbeit des Plattenwärmeübertragers können Wirkungsgrade von bis zu 95% erreicht werden. Weitere technische Daten zum PWÜ sind in Tabelle 5 veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 5: Technische Daten PWÜ

3.4 Lamellen- bzw. Gegenstrom- Schichtwärmeübertrager

Lamellenwärmeübertrager sind eine Sonderform des Plattenwärmeübertragers und in ihrem Aufbau den Rohrbündelwärmeübertragern sehr ähnlich. Aufgrund ihrer wärme- und strö- mungstechnischen Eigenschaften, wie die hohe Wärmedurchgangszahl durch hohe Turbu- lenzen in den Kanälen und kleine hydraulische Durchmesser der Strömungswege, sowie den reinen Gegenstrom der Medien, lassen sie sich eher mit den Plattenwärmeübertragern ver- gleichen.

3.4.1 Aufbau und Funktionsweise

Durch ein Muster ausgeprägt und miteinander widerstandsverschweißte Nocken auf den Lamellen (siehe dazu Abb. 7) werden hohe Turbulenzen der durchströmenden Medien er- reicht. Gleichzeitig werden die Kanäle verstärkt und es lassen sich höhere Betriebsdrücke beherrschen. Die Lamellenelemente werden zu einem Bündel zusammengepackt und an je- dem Ende so miteinander verschweißt, dass ein inneres Kanalsystem durch die Lamellen und ein äußeres zwischen ihnen entsteht, beide Medien also getrennt bleiben. Der äußere Abstand zwischen den zusammengepackten Lamellenelementen wird durch Abstandsstifte gewährleistet. Am Ende des Lamellenbündels werden konische Anschlussdeckel ange- schweißt, von denen einer mit dem Einlass-, der andere mit dem Auslassstutzen ausgerüstet wird. Der Deckel an einem Ende wird mit dem Mantel des Apparates zusammengeflanscht, das andere Ende des Lamellenbündels erhält eine Stopfbuchse oder einen Kompensator zum Ausgleich der Wärmespannungen zwischen Mantel und Bündel [15, pp. 277-279].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Lamellenelement [15, p. 279]

Der Gegenstrom-Schichtwärmeübertrager ist eine Sonderbauform des Lamellenwärmeübertragers. Er besteht aus horizontal zerlegbaren Wärmeübertrager- schichten, die durch Trennebenen separiert und vertikal verbunden sind. In Abbildung 8 ist der schematische Aufbau des GSWÜ anschaulich dargestellt. Mit dem GSWÜ wird thermi- sche Energie zwischen einem gasförmigen Medium und einem flüssigen Medium übertra- gen. Das kalte Medium wird im Kreuzgegenstrom (99 % Gegenstromverhalten) zum warmen Medium durch die Lamellen geführt und dabei erwärmt. In dieser Bauweise werden leis- tungsstarke und effiziente Wärmeübertrager ausgeführt. Eine hydraulische Verbindung von zwei Gegenstrom- Schichtwärmeübertragern ergibt eine Wärmerückgewinnung²⁰.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Schema GSWܹ²

Im einfachsten Fall können GSWÜ aus nur einer einzigen Rohrreihen bestehen. Solche An- ordnungen werden bspw. als Luftkühler eingesetzt, bei denen die Flüssigkeit durch die Roh- re und die Luft im Querstrom um die Rohre strömt. Häufig werden aber außen berippte Rohr- reihen verwendet. Die Rippen einer Ebene bilden dabei eine zusammenhängende Fläche, die mehrere mit Flüssigkeit gefüllte Rohre thermisch leitend miteinander verbinden⁸.

3.4.2 Vorteile und Nachteile

Die Vorteile und Nachteile des LWÜ, sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 6: Vor- und Nachteile LWÜ [15, p. 278]

[...]