Ringkanalwärmeübertrager mit berippter Oberfläche drückt Investitions- und Betriebskosten

Kosten im Fokus

08.05.2006 Temperaturen von -40 bis -60 °C werden benötigt, um zum Beispiel Instantkaffee oder Gewürze in gefrorenem Zustand zu trocknen. Über die Wirtschaftlichkeit der Gefriertrocknung entscheidet unter anderem die Kälteerzeugung. Bestandteil einer neuen Absorptionskälteanlage bei einem Kaffeehersteller ist ein Wärmeübertrager mit berippter Oberfläche.Dieser hat mit dazu beigetragen, die Kosten der Neuanlage niedrig zu halten.

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Mit der Leistung der Altanlage war man nach wie vor zufrieden, doch der Absatz des Instantkaffees stieg und mit den plötzlich geforderten Kapazitäten konnte die bestehende Kälteanlage nicht mithalten. So entschied sich der Lebensmittelproduzent, eine zweite Anlage zu errichten und diese parallel zur bestehenden zu betreiben. Die Redundanz in der Kälteproduktion versprach zudem ein höheres Maß an Flexibilität und Betriebssicherheit.

Mit dem Engineering wurde das niederländische Ingenieurbüro Colibri, das sich auf die Planung von Ammoniak-Absorptions-Kälteanlagen spezialisiert hat, beauftragt. Wichtigste Vorgabe: Die Einzelkomponenten müssen zwar state-of-the-art aber vor allem kostengünstig sein.

„Natürlich standen auch die Kosten im Fokus dieses Projekts“, betont Reinhard Schneider von Colibri. Ein wichtiger Ansatzpunkt, die Kosten zu reduzieren, war der Nachkühler der Anlage, der so genannte Economizer oder „innere Wärmeübertrager“ – ein Flüssig/Gas-Wärmeübertrager, der dem inneren Energieaustausch der Gesamtanlage dient und damit ihren Wirkungsgrad verbessert. Dieser Apparat arbeitet mit Ammoniak als Kältemittel, auf der einenSeite im flüssigen, auf der anderen im gasförmigen Aggregatzustand.
Aus der verfahrenstech-nischen Sicht problematisch ist der sehr kleine Wärme-übergangskoeffizient des gasförmigen Ammoniaks. Um dieses Manko zu kompensieren, kann man zum einen die Durchflussgeschwindigkeit des Gases erhöhen oder zum anderen die Wärmeübertragerflächen vergrößern. Beide Möglichkeiten sind mit Nachteilen verbunden. Eine höhere Gasgeschwindigkeit lässt den Druckverlust ansteigen und aus einer Vergrößerung der Wärmeübertragerflächen resultieren in der Regel voluminöse und damit teure Apparate.

Um sich dennoch an die Vorgaben seines Auftraggebers zu halten, entschied sich Colibri für den Einsatz von Wärmeübertragern mit berippten Rohroberflächen des Apparatebauers Transitherm. „Die Berippung vergrößert die Oberflächen bei akzeptablen Druckverlusten“, so Schneider. In der Altanlage sind dagegen noch herkömmliche Glattrohrwärmeübertrager im Einsatz.
Sowohl die innere als auch die äußere Oberfläche lässt sich bei Ringkanalwärmeübertragern berippen (Die Zeitschrift CHEMIETECHNIK berichtete im September 2005). Für den Einsatz in Ammoniak-Absorptionskälteanlagen reicht jedoch eine Berippung der Außenseite, also der Gasseite, aus. Der Wärmeübergangskoeffizient des flüssigen Ammoniaks ist um ein Vielfaches höher als der des Gases, der Effekt auf der Seite der Flüssigkeit wäre im Vergleich zur Gasseite unerheblich.

Kompakte Bauweise spart Material

Der neue Ringkanalwärmeübertrager baut sehr kompakt, nicht nur auf Grund seiner partiellen Rippenstruktur. Typisch für den Apparatetyp ist die Gestaltung ringförmiger Kanäle, in denen die Gasphase tangential um die Zylinderachse rotiert. Dadurch lassen sich die berippten Rohre axial in dieRingkanäle einbauen, so dass die hohen Rippen parallel angeströmt werden.

„Das Bauvolumen konnte gegenüber der Altanlage um insgesamt etwa 25 % gesenkt werden“, nennt Schneider den Schlüssel, die Kosten zu reduzieren: „Der Materialverbrauch sinkt.“ Der kompakte Apparat benötigt nicht nur weniger Stahl, sondern spart auch an Isolierung. Durch diese Effekte reduziert sich der Investitionspreis für den Apparat um zirka 20% im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise. Auch im Betrieb lässt sich sparen. Der neue Apparat benötigt nur noch 30% des Ammoniakinhaltes gegenüber herkömmlichen Glattrohr-Apparaten.
Seit einem Jahr ist die Absorptionskälteanlage inzwischen in Betrieb. Der Ringkanalwärmeübertrager erwärmt pro Stunde zirka 3800 kg Ammoniak-Dampf von -58°C auf 20°C bei einem Absolutdruck von 0,24bar und kühlt dabei zirka 4400kg/h flüssiges Ammoniak bei 11,65bar von 30 auf 0°C ab. Die Leistung liegt bei 175kW.
Betriebsstörungen gab es während des ersten Betriebsjahres keine. Anfängliche Bedenken des Lebensmittelproduzenten, die berippten Rohre könnten die Anfälligkeit erhöhen, haben sich nicht bestätigt. „Die Anlage arbeitet ausschließlich mit sauberem, trockenem Gas“, betont Schneider: „Probleme durch Ablagerungen in den Toträumen der Rippenstruktur werden dadurch vermieden.

Die Erwartungen des Auftraggebers wurden erfüllt: „Trotz der geometrischen Veränderung durch die Berippung liegen die Druckverluste relativ niedrig“, sagt Reinhard Schneider: „die erhoffte Kostenreduktion wurde erreicht, bei aus verfahrenstechnischer Sicht gleich guten Ergebnissen wie mit herkömmlichen Apparaten.“

„Das Bauvolumen konnte gegenüber der Altanlage um insgesamt etwa 25 % gesenkt werden“
Reinhard Schneider, Colibri

Heftausgabe: Mai-Juni 2006

Über den Autor

Susanne Zinckgraf , Redaktion
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