Der WTP-Plattenkondensator hat sich als energieeffizienter gegenüber einem äquivalenten Rohrbündel erwiesen.

Bild: LOB

Anlagenbau & Betrieb Plattenkondensator versus Rohrbündel

17.09.2015

Die Energieeffizienz von Produktionsprozessen kann an vielen Stellen gesteigert werden. In einem Verbund-Projekt wurden nun zwei Bauarten von Kopfkondensatoren bezüglich ihrer Energieeffizienz verglichen. So viel sei gesagt, der Vergleich lohnt.

Traditionell verwendet die chemische Industrie als Kondensatoren Rohrbündel, bei denen das zu kondensierende Medium in Rohren oder um Rohre geführt wird. Das wärmeaufnehmende Medium befindet sich dabei auf der jeweils anderen Seite. Bei der Kondensation um die Rohre wird die Wärmeübertragungsfläche quer angeströmt. Das führt zu einem erhöhten Wärmeübergang bei gleichzeitig erhöhtem Druckverlust. Eine Kondensation in den Rohren wird bevorzugt, wenn sehr kleine Druckverluste erforderlich sind, das zu kondensierende Medium zur Belagbildung neigt und daher eine mechanische Zugänglichkeit erforderlich ist.

Da die Kondensation in der Regel bei niedrigen Drücken abläuft, das Kühlwasser aber unter hohem Druck steht, sind zum Abfangen der Druckdifferenz dicke, kostenintensive Rohrböden erforderlich. Aufgrund dieses prinzipiellen Nachteils von Rohrbündeln setzen sich Plattenwärmeüberträger als Kondensatoren durch. Das Aufweiten der Platten erfolgt bei weitaus höheren Drücken als der spätere Betriebsdruck, sodass die Druckprüfung schon bei der Herstellung vorweggenommen wird. Die Platten sind somit hinsichtlich des Drucks eigensicher, wodurch eine gesonderte Einhausung der Druckräume nicht erforderlich ist.

Die Kondensatorplatten besitzen bezüglich ihrer Detailgestaltung mehr Freiheitsgrade als ein Rohrbündel. Die Wahl der Schweißkreise und das Anpassen an die individuellen Einsatzbedingungen schaffen die Voraussetzung für eine kompakte, leichte und kostensparende Konstruktion. Durch das geringe Gewicht beim Einsatz als Kondensator im Kopf einer Kolonne wird die Statik entlastet. Schließlich wird die Abreinigung der Platten im Außenraum einfacher, wenn Stoffe kondensiert werden, die bei der Verflüssigung zu Anbackungen neigen. Der Plattenabstand kann so gewählt werden, dass der Zwischenraum mittels Hochdruckwasserstrahllanze zugänglich ist.

Kopfkondensatoren auslegen

Strömungsverlauf und Wärmeübergang an Rohren und Rohrbündeln sind bekannt und werden im VDI-Wärmeatlas oder in kommerziellen Rechenprogrammen beschrieben [1, 2]. Die Programme entsprechen dem Stand der Technik und sind von der chemischen Industrie anerkannt. Gegenüber einem Rohrbündel haben Platten-Wärmeüberträgersysteme zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten, die eine Berechnung komplex machen. Es besteht allerdings der Vorteil, dass Bleche und Konstruktion verfahrenstechnisch individuell auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst und somit auf den Kunden zugeschnitten werden können.

Eine modellmäßige Vergleichbarkeit von Rohrbündel und Plattenkondensator ist auf der Kondensatseite über den hydraulischen Durchmesser möglich. Der Modellansatz setzt aber voraus, dass sich die Kondensation an einer glatten Rohrinnenwand genauso verhält wie an einer welligen Außenwand einer Platte. Das Strömungsbild an einer Platte zeigt schon bei sehr kurzen Lauflängen Turbulenzen, wodurch sich eine breitere Vermischung auf der Plattenoberfläche einstellt.

Beim Rohrbündelkondensator stellt sich die Frage nach dem Rohrdurchmesser, der Rohrteilung, der Rohrlänge und der Anzahl der Umlenkbleche – in Kombination mit den Betriebsdaten der Wärmeübergänge auf der Kühlwasserseite. Bei Platten hingegen kann durch die Wahl der Aufweitung und der Schweißkreise der Wärmeübergang so gewählt werden, wie der Anwendungsfall es erfordert. Zusätzlich lassen sich Laser-Nähte als Strömungsführungen unmittelbar bei der Herstellung der Platten einarbeiten.

Die Güte eines Kondensators kann durch die Länge der Kondensations- und der Nachkühlzone und durch die dafür benötigte Fläche beschrieben werden. Bei der isobaren Kondensation eines Reinstoffes zeichnet sich die Kondensationszone durch eine konstante Kondensationstemperatur aus. Danach fällt die Produkttemperatur kontinuierlich – abhängig von der Güte der Wärmeübertragung – bis zur Unterkühlungstemperatur ab. Dabei gilt: Je kürzer die Länge der Kondensationszone und je schneller sich die Unterkühlungstemperatur einstellt, desto höher ist die Kondensationsleistung des Apparates.

Das Verbund-Projekt

LOB und die Bayer Technology Services haben im Rahmen des InnovA2-Verbundprojektes die Effizienz der zwei unterschiedlichen Wärmetauscher-Bauarten verglichen. Im Technikum der Bayer Technology Services in Leverkusen wurden dabei ein aus sechs Platten bestehender WTP-Plattenwärmetauscher mit zirka 10 m² und ein verfahrenstechnisch vergleichbares Rohrbündel in eine bestehende Kolonnen-Verdampfereinheit mit 0,6 m Durchmesser und einer Höhe von etwa 2 m so eingebaut, dass die unterschiedlichen Kondensatoren wechselseitig betrieben werden konnten.

Durch den wechselseitigen Betrieb der unterschiedlichen Kondensatortypen bestand die Möglichkeit, die gemessenen Leistungsdaten von Platten- und Rohrbündelkondensatoren auf direktem Weg zu vergleichen. Ein weiteres Ziel der Untersuchung war die Abschätzung, wie gut die Messwerte durch Rechenprogramme abgebildet werden. Die in der Literatur genannten Werte sowie kommerzielle Rechenprogramme basieren in der Regel auf dem Rohrbündel. Es hat sich jedoch gezeigt, dass damit auch ein indirekter Rückschluss auf die Plattenauslegung möglich ist.

Temperaturverlauf

Der Strömungsverlauf zwischen den Platten und den Rohrbündel N 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 Plattenkondensator keinen Rohrboden benötigt, ist auch der Druckverlust im Einlaufbereich geringer als bei einem Rohrbündel.

Ein typischer Temperaturverlauf über die Lauflänge – gemessen zwischen den Platten – zeigt die Abbildung auf Seite 97. Bei einem Druck von 200 mbar(a) 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 Platte bei 1700 mm sinkt die Temperatur sprunghaft um weitere 6 °C ab. Die Temperatursenkung am unteren Plattenrand kann jeweils erst bei Kondensatmengen über 1500 kg/h sowie bei Zumischung von Inertgas beobachtet werden.

Am Rohrbündelkondensator kann eine solche Temperatursenkung nicht gemessen werden. Die aus den Messungen ermittelten Wärmeübertragungsflächen für Plattenkondensator und Rohrbündel mit Reinstoff bei 200 mbar(a) sind in der Abbildung auf Seite 98 dargestellt.

Ergebnisse des Kondensator-Vergleichs

Als wesentliches Ergebnis der Untersuchung im Rahmen des InnovA² Verbundprojektes hat sich ergeben, dass bei 200 mbar(a) Reinstoff der Plattenkondensator bis zu 33 Prozent energieeffizienter ist. Weitere Vorteile des Plattenkondensators liegen beim geringeren Gewicht von zirka 40 Prozent gegenüber dem äquivalenten Rohrbündel und beim geringeren Volumen im umbauten Raum des Plattenkondensators – zirka 42 Prozent.

Die Leistungsgrenzen wurden während der Versuchsreihe bei Reinstoffkondensation weder beim Plattenkondensator noch beim Rohrbündel erreicht. Erst bei einer Inertgaszumischung über 3 kg/h konnten die Leistungsgrenzen bei beiden Kondensatoren erreicht werden. Die Berechnungsansätze im VDI-Wärmeatlas sind für die betrachteten Teilbereiche gut anwendbar. Entscheidend sind jedoch die getroffenen Annahmen. Das von LOB entwickelte Rechenmodell bildet die Kondensationsversuche im Vergleich Plattenbauweise zu Rohrbündelbauweise ab.

Allgemeiner lässt sich festhalten, dass der WTP-Plattenkondensator gegenüber dem Rohrbündelkondensator bei den untersuchten Bedingungen 25 bis 35 Prozent energieeffizienter ist. Hinzu kommt eine Gewichtseinsparung, die bei einer kompakten Plattenbauweise auch bis zu 50 Prozent betragen kann.

Literaturhinweise

[1] VDI Wärmeatlas, 11. Auflage 2013, Teil G8, Teil J1 und J2 Wärmeübergang bei der Kondensation, Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Gesellschaft, Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC),
[2] R. Goedecke, Fluid-Verfahrenstechnik Grundlagen, Methodik, Technik, Praxis, Kap. 7.4 Kondensation und Kondensatoren, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 1. Auflage 2011

Bildergalerie

  • Die Grafik zeigt die Wärmeübertragungsfläche über dem Wärmestrom für Plattenkondensator und Rohrbündel mit Reinstoff bei 200 mbar(a).

    Bild: LOB

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