Innovative Wärmetauscher

Polymere Wärmetauscher haben ein enormes Anwendungspotenzial, wenn es um korrosive Medien geht. Der Nachteil ist die geringe Wärmeleitfähigkeit von polymeren Werkstoffen. Dies kann jedoch durch die Verwendung dünner Folien (Dicke kleiner 0,1 mm), die durch ein Abstandsgitter gestützt werden, kompensiert werden. Letzteres wirkt als Turbulenzgeber und stabilisiert fallende Filme und verhindert das Aufbrechen und die Bildung von Rinnsalen. Der Beitrag analysiert die mechanische und chemische Stabilität und die Einsatzgrenzen sowie die Ablagerungs- und Bewuchsneigung. Im Gegensatz zu Edelstahl haben die Polymere nach einer Vorbehandlung (Corona- oder Plasmabehandlung) gute Benetzungseigenschaften und eine selbstreinigende Eigenschaft aufgrund der Flexibilität der Polymerfilme. Mineralische Ablagerungen und Biofilme lassen sich durch Rütteln der Folie leicht entfernen und die starre Bewuchsschicht fällt auseinander. Hierzu werden Korrelationen für Wärmeübertragung und CaCO₃ Niederschlagsbildung (Scaling) mit einem Abstandsgitter-gestützten Polymer-Dünnschicht-Wärmeübertrager angegeben, der eine ähnliche Struktur wie ein Plattenwärmeübertrager aufweist.

Die innovative Entwicklung von Polymerverbundrohren mit hohen Wärmeleitfähigkeiten für den Einsatz in Wärmetauschern, verschiedene Aspekte für den Einsatz dieser Rohre und die Auslegung von Polymerverbundwärmetauschern werden vorgestellt. Von der Technoform Kunststoffprofile GmbH (Lohfelden, Deutschland) wurden mit Graphit gefüllte Polymerverbundwerkstoffe auf Basis von Polypropylen und Polyphenylensulfid entwickelt. Ein spezielles Extrusionsverfahren ermöglicht hohe Füllstoffgehalte von bis zu 60 Vol% und die Orientierung der Füllstoffpartikel in der Polymermatrix, um erhöhte Wärmeleitfähigkeiten in radialer Richtung zu erreichen. Die thermischen und mechanischen Eigenschaften, die chemische Beständigkeit gegenüber verschiedenen Säuren und alkalischen Medien, das Lebensdauerverhalten, die Wärmeübertragungsleistung und das Foulingverhalten wurden für Verbundwerkstoffe mit 50 Vol% Graphit untersucht. Die extrudierten Polymerverbundrohre haben eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 13–20 W/(m K), was etwa 50–100 mal höher ist als die von Standardpolymeren und mit Edelstahlsorten vergleichbar ist. Die ausgezeichnete chemische Beständigkeit, das geringe Gewicht, die gute Verarbeitbarkeit sowie vielversprechende erste Prüfstandsergebnisse bei Fouling-Studien im Vergleich zu korrosionsbeständigen Metallen eröffnen kosteneffiziente Möglichkeiten für Wärmetauscher in verschiedenen Branchen wie Chemie, Petrochemie, Öl und Gas, Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie Meerwasserentsalzung. Wichtige Konstruktionsaspekte wie verschiedene Möglichkeiten der Befestigung der Polymerverbundrohre in den Rohrplatten und die maximale freitragende Rohrspannweite zur Vermeidung von Rohrausfällen durch strömungsinduzierte Vibrationen werden diskutiert. Eine mögliche Verbesserung des Wärmeübergangs durch die Formgebung von Polymerverbundrohren, die nicht als runde Glattrohre ausgeführt sind, und die Konstruktion von vollständig polymerbasierten Wärmetauschern stehen im Mittelpunkt der zukünftigen Entwicklung.

Das vorliegende Kapitel gibt einen nicht umfassenden Überblick über innovative Auslegungsaspekte für mikrostrukturierte Wärmeübertrager mit dem Fokus auf eine Verbesserung des Wärmeübergangs bei minimaler Erhöhung des Druckverlustes. Es zeigt sich, dass sanfte Abweichungen der Strömung von der ursprünglichen Richtung erforderlich sind, um dieses Ziel zu erreichen, während eine stärkere Beeinflussung der Strömung, wie sie durch unregelmäßige Strukturen wie z. B. Schäume erreicht wird, zu höheren Druckverlusten im Vergleich zur Verbesserung des Wärmeübergangs führt, wenn man sie auf dimensionsloser Basis vergleicht. Bei der Konstruktion solcher Vorrichtungen in kleinerem Maßstab muss unbedingt der Effekt der axialen Wärmeübertragung berücksichtigt werden, der die Leistung des Wärmetauschers erheblich beeinträchtigen kann. Für die praktische Anwendung solcher Geräte sind kostengünstige Fertigungstechniken erforderlich, die eine Vielzahl potenzieller Anwendungen von der Prozessindustrie bis zur Luft- und Raumfahrt ermöglichen.

Der Wärmeübergang beim Sieden wird wesentlich durch die Struktur der Heizfläche beeinflusst. Die Mikrostruktur (Rauhigkeit) mit ihren Erhebungen und Hohlräumen beeinflusst direkt die Benetzung und Entnetzung der Heizfläche durch das Fluid und damit die Blasenbildung und den Wärmeübergang. Die Hohlräume zur Aktivierung sind abhängig von den Betriebsparametern wie Überhitzung und Sättigungsdruck. Die Makrostrukturform der Heizfläche begünstigt oder behindert durch ihre Form und Anordnung im Verdampfer die Bewegung der verdampfenden Flüssigkeit und der aufsteigenden Blasen. Die wesentlichen Einflussparameter werden im halbempirischen Ansatz konventioneller Berechnungsmethoden für die Praxis zur Auslegung von Verdampfern getrennt betrachtet. Sie werden an Experimente im Labor angepasst. Es wird gezeigt, dass eine genaue Vorausberechnung für kleine Bereiche von Sättigungsdruck und Überhitzung für unterschiedlich strukturierte Rohre möglich ist, dass aber der Einfluss der Oberflächenstruktur auf die beginnende Keimbildung viel ausgeprägter ist als von konventionellen Methoden postuliert.

Die Verwendung von Mehrstrom-Wärmetauschern kann bei Anwendungen vorteilhaft sein, bei denen sich das Wärmeübertragungsverhalten eines der Fluide ändert oder bei denen es ein diskontinuierliches Temperaturprofil während des Durchgangs durch den Apparat gibt. Diese Situationen treten z. B. bei Phasenwechsel (z. B. Verdampfung und Kondensation) oder im transkritischen Bereich auf. Bei Mehrstromanlagen wird die Wärmelast auf zwei oder mehr Nutzflüssigkeiten aufgeteilt. Bei Platten- und Rahmenwärmetauschern kann dies leicht durch Einsetzen von strömungsteilenden Zwischenplatten eingestellt werden. Der Einsatz eines Mehrstromgerätes hat den Vorteil einer besseren Wärmeintegration und einer optimalen Anpassung an die thermische Gesamtsituation, z. B. eine Temperaturbegrenzung des Kühlmediums. Ein weiterer wichtiger Punkt ist das große Potenzial hinsichtlich der Minimierung der Entropieproduktion und damit der Minimierung des Exergieverlustes. Da die Entropieproduktionsrate mit dem Quadrat der treibenden Temperaturdifferenz zwischen dem heißen und dem kalten Fluid wächst, ist eine kleine und gut angepasste Temperaturdifferenz vorteilhaft. Dies ist besonders wichtig, da Wärmetauscher zu den am häufigsten verwendeten Komponenten einer Industrieanlage gehören. Um die Betriebsbedingungen des Mehrstromgeräts optimal an die gegebenen Anforderungen anzupassen, kann der Massenstrom der Nutzflüssigkeiten in Abhängigkeit vom jeweiligen Parameter (z. B. der Sättigungstemperatur am Ein- oder Austritt der Strecke bei Phasenwechselprozessen) geregelt werden. Für alle Anwendungen gilt, dass die Qualität der Effizienz mit einer genauen Vorhersage des Wärmeübertragungs- und Druckverlustverhaltens steigt. Daher werden Korrelationen für den ein- und zweiphasigen Wärmeübergang und den Druckabfall in Platten- und Rahmenwärmetauschern vorgestellt, die für die Auslegung von Mehrstromwärmetauschern nützlich sind.

Niedrigberippte Rohre bieten ein großes Potenzial für Anwendungen in Wärmetauschern, bei denen Kondensation an der Außenseite der Wärmetauscherrohre auftritt. In der Regel sind die Rippenhöhe und der Abstand zwischen den Rippen kleiner als 1 mm. Dies führt zu einer vergrößerten Oberfläche, die in der Regel um den Faktor 2–5 größer ist. Hinzu kommen strömungsdynamische Effekte, die die Kondensatschicht auf dem Rohr reduzieren und damit auch den Wärmeübergangskoeffizienten erhöhen. Bei horizontal angeordneten Glattrohren ist ein Bündelungseffekt zu beobachten, da die Kondensatschicht von Reihe zu Reihe zunimmt. Dieser negative Effekt kann bei niedrigberippten Rohren verringert werden, da hier das Kondensat aufgrund von Kapillarkräften abgezogen wird und höhere Wärmeübergangskoeffizienten zu beobachten sind. Die reine Komponentenkondensation mit freier Konvektion kann mit der von Nusselt (1916) für glatte Rohre abgeleiteten Theorie beschrieben werden. Für Rohre mit geringer Berippung wird eine breite Palette von experimentellen Daten zusammen mit einem neu entwickelten Modell zur Vorhersage der äußeren Wärmeübergangskoeffizienten vorgestellt. Die Kondensation von Gemischen unterscheidet sich von der Kondensation reiner Stoffe, da der thermische Widerstand in der Dampfphase nicht vernachlässigt werden kann. Dadurch werden die Wärmeübergangskoeffizienten sowohl für glatte als auch für niedrigberippte Rohre gesenkt. Es wird ein innovatives Modell vorgestellt, das die Auswirkung des Molanteils der Mischungskomponenten auf den Wärmeübergang berücksichtigt. Im Vergleich zum bekannten Filmmodell basiert das neue Modell auf einer Anpassung des thermodynamischen Korrekturfaktors und kann die experimentell gemessenen Wärmeübergangskoeffizienten wesentlich besser beschreiben.

Thermoblechwärmetauscher (Pillow-Plate Heat Exchanger, PPHE) sind ein neuartiger Wärmetauschertyp, der auf einer wellenförmigen, kissenartigen Plattengeometrie basiert. In der Regel bestehen sie aus parallelen Platten, die als Stapel angeordnet sind. Auf diese Weise wechseln sich innere Kanäle innerhalb der Kissenplatten mit äußeren Kanälen zwischen den benachbarten Platten ab, so dass eine Struktur mit abwechselnden inneren und äußeren Kanälen für die Wärmeübertragungsmedien entsteht. Dieses Kapitel befasst sich mit den Grundlagen von PPHE und behandelt die Herstellung, grundlegende Konstruktionsüberlegungen und allgemeine Anwendungsbereiche. Die geometrische Variabilität von PPHE ist extrem hoch, und ihre Leistung hängt stark von den jeweiligen geometrischen Details ab. Daher werden die relevanten Parameter, die die komplexe Kissenplattengeometrie charakterisieren, sowie die entsprechenden Methoden zu ihrer Berechnung betrachtet. Zu diesen Parametern gehören die inneren und äußeren Wärmeübertragungsflächen, Querschnittsflächen und charakteristischen Längen. Darüber hinaus wird die Schweißpunktanordnung diskutiert, die für das Strömungsbild und die thermohydraulischen Leistungsmerkmale insgesamt von Bedeutung ist.

Wärmeblechkondensatoren (Pillow-Plate Condensers, PPC) sind eine neue Klasse von Wärmetauschern, die für Kondensationsaufgaben eingesetzt werden. Ihre Leistung ist oft besser als die herkömmlicher Geräte. PPC werden heute meist in Destillationsanwendungen eingesetzt, da die Kondensatoren direkt in den Kolonnenkopf eingebaut werden. Um die Eignung von PPC für ein bestimmtes Verfahren besser beurteilen zu können, ist es wichtig, ihre Hauptmerkmale zu kennen. Ein solches Verständnis basiert auf der Kenntnis verschiedener Aspekte, z. B. Wärmetransport und Flüssigkeitsströmung, sowohl in ein- als auch in zweiphasigen Systemen, die komplex und miteinander verknüpft sind. Dieses Kapitel gibt einen kurzen Überblick über diese Aspekte. Darüber hinaus werden spezifische Anwendungen und Konstruktionsdetails erörtert und das zukünftige Potenzial von PPC hervorgehoben.

Dieses Kapitel befasst sich mit der Anwendung von Wärmeblechwärmeaustauschern (Pillow-Plate Heat Exchanger, PPHE) als Fallfilmverdampfer oder Thermosiphonverdampfer. In Fallfilmverdampfern fließt ein dünner, durch die Schwerkraft angetriebener Flüssigkeitsfilm an der Außenseite eines vertikalen Wärmeblechs nach unten. Um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten und eine thermische Belastung des Produkts zu vermeiden, ist eine vollständige Benetzung der Oberfläche erforderlich. Es werden Mindestbenetzungsraten angegeben, die eine ausgeprägte Hysterese bei der Be- und Entfeuchtung aufweisen. Thermosiphonverdampfer sind in der Prozessindustrie am weitesten verbreitet. Ihr Funktionsprinzip beruht auf dem Dichteunterschied zwischen dem einphasigen Flüssigkeitszulauf und dem zweiphasigen Dampf-Flüssigkeits-Gemisch im Verdampfer. Beim PPHE findet die Verdampfung in den Kanälen zwischen den Wärmeblechen statt, während das heiße Betriebsmedium, kondensierender Wasserdampf oder Heizöl, innerhalb des Wärmeblechs fließt. PPHE haben ein breites Betriebsfenster und einen sehr stabilen Betrieb. Sie können bis zu einem Gesamtdruck von 100 mbar abs und einer Gesamttemperaturdifferenz von 5 K eingesetzt werden. Die thermische Auslegung erfolgt bei beiden Verdampfertypen nach dem bewährten Konzept der dimensionslosen Zahlen.

hiTRAN^® Thermal Systems wird auf der Rohrseite von Rohrbündelwärmetauschern eingesetzt und kann eine entscheidende Rolle bei der Leistungssteigerung dieser Anlagen spielen. Die Technologie wird erfolgreich in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, die von sensibler Heizung und Kühlung bis hin zu Kondensations- und Kochdiensten reichen. Die Technologie wird sowohl bei Neukonstruktionen als auch bei Nachrüstungen eingesetzt, wo sie die Effektivität der in Betrieb befindlichen Anlagen erhöhen kann. Dieses Kapitel gibt dem Konstrukteur und dem Anlagenbetreiber die notwendigen Informationen, um die Prozessbedingungen zu bestimmen, unter denen diese Technologie den größten Nutzen bringt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen segmentierten Umlenkblechen bietet das EMbaffle^® Wärmetauscher-design mit Streckmetall-Gitterumlenkblechen einen extrem niedrigen Druckverlust und verhindert Vibrationen. Neben der mechanischen Unterstützung der Rohre verbessert es auch die mantelseitigen Strömungseigenschaften und fördert so die Wärmeübertragung. Das Streckmetallgitter ist konzeptionell so ausgelegt, dass es als Turbulenzförderer wirkt, da Änderungen der Geometrie und der Einfluss auf die turbulente kinetische Energie durch CFD-Analysen leicht verfolgt werden können. Zwei Konstruktionsbeispiele geben einen endgültigen Eindruck von der Anwendbarkeit in der Industrie.

Adsorptionskreisläufe können für thermisch angetriebene Wärmetransformationsanwendungen wie Wärmepumpen oder Kältemaschinen verwendet werden. Eine große Herausforderung beim Bau solcher Geräte ist die Auslegung des Adsorptionswärmetauschers (Ad-HX). Zwei wesentliche Auslegungskriterien werden hier erörtert: die Leistungszahl (COP), die die Nutzwärme oder -kälte mit dem Energieaufwand in Beziehung setzt, und die (volumen- oder massenbezogene) spezifische Kühl- oder Heizleistung (SCP/SHP). Um einen Adsorptionswärmetauscher zu entwerfen, wird in diesem Artikel ein zweistufiges Verfahren vorgeschlagen. Der erste Schritt ist die Analyse des COP, der durch die thermophysikalischen Eigenschaften des Adsorptionsmittels und des Arbeitsmittels, die Temperaturniveaus des Prozesses und das Massenverhältnis zwischen aktivem Adsorptionsmittel und Wärmetauschermaterial bestimmt wird. Vielversprechende Konfigurationen erreichen einen geforderten COP und können in einem zweiten Schritt durch Abschätzung der Leistungsdichte genauer spezifiziert werden. Es wird ein vereinfachter Auslegungsansatz vorgestellt, der die Kette der Wärme- und Stoffübergangswiderstände berücksichtigt, und es werden Beispiele für kürzlich entwickelte innovative Adsorptionswärmeübertrager gezeigt.