Kompakte kondensatoren für einen lieferanten von additiven
Bei einer neuen Produktionsanlage eines Lieferanten von Additiven stand eine praktische Frage im Mittelpunkt: Wie lassen sich Lösungsmitteldämpfe zuverlässig kondensieren, obwohl der verfügbare Platz begrenzt ist?
Kompakte Lösung gesucht
Kapp wurde gebeten, bei der Auslegung der Kondensatoren mitzuwirken. Thermisch musste die Lösung natürlich den Anforderungen des Prozesses entsprechen. Gleichzeitig stand über den Tanks, wo die Wärmetauscher physisch installiert werden mussten, nur begrenzter Platz zur Verfügung.
Die ersten Berechnungen machten die Herausforderung deutlich. Ein Rohrwärmetauscher mit einer Länge von etwa drei Metern wäre thermisch zwar gut geeignet, würde aber aufgrund seiner Abmessungen zu viel Höhe über den Tanks einnehmen. Es musste also nach einer Möglichkeit gesucht werden, die gleiche Wärmeübertragung in einer deutlich kompakteren Ausführung zu realisieren.
Vom Dampf zum Kondensat
Die Kondensatoren kommen in einem Produktionsprozess zum Einsatz, bei dem während des Befüllens der Tanks Stickstoff, Lösungsmitteldämpfe und andere VOC (flüchtige organische Verbindungen) freigesetzt werden. Beim Befüllen wird Gas aus den Tanks verdrängt. Dieses Gas enthält Dämpfe, aus denen wir die VOC so weit wie möglich entfernen möchten, bevor sie in die Umgebung abgeleitet werden.
Hier kommt die Rolle der Kondensatoren ins Spiel: Durch die Kühlung des Dampfstroms kondensieren die vorhandenen Lösungsmitteldämpfe und können als Flüssigkeit zurückgewonnen werden. Der Kondensator fungiert somit als Bestandteil des Emissionskontrollsystems.
Für diese Anwendung wurde ein Rohrbündelwärmetauscher gewählt. Ein wichtiger Vorteil dabei ist die große Durchströmungsfläche in den Rohren. Dadurch ist es möglich, die kondensierte Flüssigkeit entgegen der Strömungsrichtung des Gases nach unten fließen zu lassen. Dies ist der Reflux-Effekt: Während sich die Dämpfe durch die Rohre bewegen, kondensiert ein Teil davon und das Kondensat fließt nach unten zurück.
Die Herausforderung bestand nun nicht nur darin, die VOC zu kondensieren, sondern auch darin, innerhalb der begrenzten verfügbaren Höhe über den Tanks eine ausreichende Wärmeübertragung zu gewährleisten.
Turbulatoren als Schlüssel zu einer kompakteren Bauweise
Kapp untersuchte verschiedene Möglichkeiten, die Wärmeübertragung zu steigern, ohne einfach nur die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern. Die Lösung fand sich in einem HRS-Rohrwärmetauscher mit Calgavin-Drahtgitter-Turbulatoren in den Rohren. Dieses Drahtgitter erfüllt in dieser Anwendung zwei Funktionen.
1. Mehr Kontakt und Agglomeration von Nebeltröpfchen
Das Drahtgeflecht schafft zusätzliche Kontaktmöglichkeiten für die vorhandenen Nebeltröpfchen. Dadurch können kleinere Tröpfchen miteinander in Kontakt kommen und agglomerieren. Die Wirkung ist dabei nicht mit der eines vollwertigen Demisters vergleichbar, aber die Turbulatoren unterstützen das Zusammenfließen des Kondensats im Rohr.
2. Mehr Turbulenz, bessere Wärmeübertragung
Zudem sorgen die Turbulatoren für mehr Bewegung in der Strömung. Durch die Turbulenzen und Wirbel wird die thermische Grenzschicht entlang der Rohrwand immer wieder durchbrochen. Dadurch kommt die Flüssigkeit besser mit der Wand in Kontakt, und es kann mehr Wärme übertragen werden. Gerade diese zusätzliche Wärmeübertragung ermöglichte es, den Wärmetauscher deutlich kürzer auszuführen, ohne an Leistung einzubüßen.
Von drei Metern auf 70 Zentimeter
Durch die angepasste Rohrkonfiguration und die Drahtgitter-Turbulatoren konnte die Bauweise erheblich verkürzt werden. Während der erste Entwurf eine Rohrlänge von etwa drei Metern vorsah, wurde schließlich ein Wärmetauscher von nur 70 Zentimetern realisiert. Damit entstand eine Lösung, die eine ausreichende Wärmeübertragung bot, um die VOCs in dem verdrängten Gas zu kondensieren, und gleichzeitig in die begrenzte verfügbare Höhe über den Tanks passte. So konnten die Kondensatoren ihre Rolle bei der Emissionskontrolle erfüllen, ohne unnötig viel Platz in der neuen Produktionsanlage einzunehmen.
Intelligente Technik
Diese Fallstudie zeigt, dass „kompakter“ nicht immer bedeutet, dass man Abstriche bei der Wärmeübertragung machen muss. Manchmal liegt die Lösung gerade darin, die vorhandene Wärmeübertragungsfläche besser zu nutzen. Durch die gezielte Beeinflussung der Strömung und Kondensation in den Rohren mit Drahtgitter-Turbulatoren konnte Kapp die erforderliche Leistung in einer deutlich kompakteren Ausführung erzielen. Die fertigen Wärmetauscher waren etwa dreimal leichter als der ursprüngliche Entwurf. Das erleichtert nicht nur die Handhabung und den Transport, sondern bedeutet auch, dass für dieselbe Funktion weniger Metall benötigt wird.