Reine Kopfsache

WTP-Plattenkondensator versus Rohrbündel

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15.05.2017 Showdown bei Bayer: Im Rahmen des Innova-Verbundprojektes zur Steigerung der Energieeffizienz von Produktionsprozessen wollte LOB zusammen mit dem damals noch eigenständigen Dienstleister Bayer Technology Services (BTS) zwei Bauarten von Kopfkondensatoren im Hinblick auf ihre Energieeffizienz vergleichen.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Im Rahmen eines Optimierungs-Projektes bei Bayer wurden ein Rohrbündel-Wärmeübertrager und ein WTP-Plattenwärmeübertrager gegenübergestellt.
  • Die Ergebnisse waren eindeutig: Nicht nur ermöglichen Plattenkondensatoren Gewichts- und damit auch Kostenersparnisse bis 50 %. Auch die Energieeffizienz liegt rund ein Drittel höher als es bei vergleichbaren Rohrbündel-Lösungen der Fall ist.
  • Nicht zuletzt gestaltet sich auch das Abreinigen der Platten einfacher.

… einen Rohrbündel-Wärmeübertrager und einen WTP-Plattenwärmeübertrager. Im Technikum der BTS in Leverkusen wurden ein WTP-Plattenwärmeübertrager mit circa
10 m² und ein verfahrenstechnisch vergleichbares Rohrbündel in eine bestehende Kolonnen-Verdampfereinheit mit 0,6 m Durchmesser und einer Höhe von circa 2 m so eingebaut, dass es möglich war, die unterschiedlichen Kondensatoren wechselseitig zu betreiben. So konnten die Projektpartner die Leistungsdaten von Platten- und Rohrbündel-Kondensatoren auf direktem Weg vergleichen. Zugleich bot der Test die Gelegenheit, die in der Literatur und bei dem Spezialisten für Wärmeübertrager bereits erstellten Berechnungsmethoden zu bestätigen und neue verfahrenstechnische Modellrechnungen hinzuzufügen.

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, waren beim Rohrbündel-Wärmeübertrager dicke Böden erforderlich, um die Druckdifferenz zu kompensieren. Aus diesem Grund setzt sich verstärkt der WTP-Plattenwärmeübertrager als Kondensator durch. Die Aufweitung der WTP-Platten erfolgt bei Drücken, die höher liegen als der spätere reguläre Betriebsdruck, sodass eine erste Druckprüfung schon vorweg vorlag.

Im Vergleich zu einem Rohrbündel-Wärmeübertrager besitzen WTP-Plattenkondensatoren mehr Gestaltungsmöglichkeiten: Die Wahl der Schweißkreise und das Anpassen an die individuellen Einsatzbedingungen schaffen die Voraussetzung für eine sehr kompakte, leichte und kostensparende Konstruktion. Die Gewichtsersparnis bei volumenreduzierter, kompakter Bauweise beträgt circa 50 %. Beim Einsatz als Kopfkondensator entlastet dies die Statik der hohen Kolonne – und den Betreiber auf der Kostenseite. Auch ist das Abreinigen der Platten im Außenraum einfacher; beispielsweise wenn Stoffe kondensieren, die bei der Verflüssigung zu Anbackungen neigen.

Die Versuchsdurchführung

Im Rahmen des Verbundprojektes fanden zwei Testreihen in der Technikumsanlage der BTS statt: Die Messungen erfolgten 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 fuhren die Prüfer 27 Versuche mit dem WTP-System und 9 Versuche mit dem Rohrbündel. Um die Leistungsgrenze zu testen, ergänzten sie die Reinstoff-Versuche bei 200 mbar(a) um fünf Versuche mit einer Einperlung von Stickstoff bis 8,9 kg/h. Am Ende stand die Erkenntnis: Bei 200 mbar ermöglicht der WTP Plattenkondensator bei gleicher Wärmeleistung deutlich bessere Ergebnisse.

Die Versuchsergebnisse

Der Strömungsverlauf zwischen WTP-Platte und Rohrbündel ist grundsätzlich verschieden. Dies zeigt sich auch am gemessenen Temperaturverlauf: Während bei dem Plattenkondensator der gesamte anfallende Kondensatstrom auf eine wesentlich geringere Anzahl von Spalten aufgeteilt wird, erfolgt bei einem Rohrbündel die Stromaufteilung gemäß der Anzahl der Rohre. Bei einer Platte findet eine Quervermischung und Wellenströmung eines größeren Kondensatstroms statt, während bei einem Rohr nur ein Bruchteil des Kondensats entsprechend der Anzahl der Rohre im Rohrkanal nach unten gelangt. Ein Vermischen des Kondensats aus allen Rohren erfolgt erst im Kondensatsammler.

Dies zeigt sich auch an der gemessenen Temperaturkurve über die Rohrlänge: Da über die Kondensationskurve ein Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur besteht, zeigt beim Rohrbündel-Kondensator die Temperatur einen ähnlichen Verlauf wie der Druckverlauf im Einlauf einer Rohrplatte. Dieser entspricht einer plötzlichen Querschnittsverengung bei einem kantigen Einlauf. Durch den nicht vorhandenen Rohrboden bei einem WTP-Plattenkondensator ist auch der Druckverlust im Einlaufbereich geringer als bei einem Rohrbündel-Wärmeübertrager. Das WTP-System erwies sich beim Test bis zu 33 % energieeffizienter als das Rohrbündel bei 200 mbar(a) Reinstoff.

Hier gelangen Sie zur Homepage des Lösungsanbieters.

Auf unserem Portal finden Sie weitere Beiträge rund um das Thema Wärmeübertragung.

[1]  VDI-Wärmeatlas, Springer-VDI-Verlag,11. Auflage 2013,

Teil G8, TeilJ1 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

Heftausgabe: Mai 2017

Über den Autor

Dr. Ulrich Femmer, Leiter Verfahrenstechnik, LOB
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