Evaluierung von Rohrbündel-, Platten- und Hybrid-Wärmeüberträgern und der Vergleich deren 3D-Aufstellungen mit Bentley AutoPlant

Diplomarbeit von Selcuk Korkusuz

Einleitung:

Eines der wichtigsten Verfahren in der Industrie ist die Wärmeübertragung, die das Herz vieler verfahrenstechnischer Prozesse darstellt. Gerade in den letzten Jahren hat die Ersparnis teurer Primärenergie, die Wichtigkeit der Wärmeübertragung in der chemischen und petrochemischen Industrie in den Vordergrund gestellt. Die Notwendigkeit in verfahrenstechnischen Prozessen die Fluide zu erhitzen, zu verdampfen, zu kühlen oder zu kondensieren, wird realisiert mit Hilfe von Wärmeübertragern, auch bekannt als Wärmetauscher.

Durch technische und wirtschaftliche Anforderungen in den Prozessen Energie einzusparen bzw. sekundär in anderen Prozessen einzusetzen, ist eine optimale Auswahl des einzusetzenden und anschließend aufzustellenden Wärmeübertrager sehr entscheidend, da in vielen Anlagen die Aufstellungskapazitäten bezüglich der Flächen begrenzt sind.

In der Planungsphase eines Projektes spielt die Aufstellungsplanung eine bedeutende Rolle. Die Überdimensionierung bei der Aufstellung und Auslegung bzw. die falsche Auswahl des Wärmeübertragertypen führen für viele Unternehmen zu unnötig hohen Kosten. Neben der Überdimensionierung des Flächenbedarfs bei der Aufstellungsplanung führen auch unzureichende Flächenkapazitäten bei der Montage, Inbetriebnahme, Bedienung und Wartung der Anlagen zu aufwendigen Problemen und damit zu erheblichen Kosten.

Die unterschiedlichen Bauformen auf dem Markt und die zahlreichen Einsatzbereiche in der Industrie, erschweren zusätzlich die Auswahl eines optimal geeigneten Wärmeübertragers. Die Stromführung in Wärmeübertragern wird nach Gleichstrom-, Gegenstrom- oder Kreuzstromverfahren unterschieden. Abhängig von ausgewählten Prozessen werden spezifische Wärmeübertragertypen eingesetzt, wobei der Rohrbündel-Wärmeübertrager in der verfahrenstechnischen Industrie den Hauptteil einnimmt. An zweiter Stelle liegt, mit steigender Tendenz, der Platten-Wärmeübertrager. Auch hier gibt es inzwischen eine große Anzahl an verschiedenen Bautypen. Besonders mit kompakten und platzsparenden Bauweisen erobern sich Platten-Wärmeübertrager in zunehmendem Maße neue Einsatzgebiete.

Technisches Know-how und moderne Fertigungsanlagen bilden die Basis für die Produktion einer neuen Generation von Wärmeübertragern für verfahrentechnische Anlagen, dem so genannten Hybrid-Wärmeübertrager, der die Lücke zwischen den Rohrbündel- und Platten-Wärmeübertragern füllen soll. Der Hybrid-Wärmeübertrager kombiniert die Temperatur- und Druckfestigkeit eines Rohrbündel-Wärmeübertragers mit der konstruktiv kompakten Bauweise des Platten-Wärmeübertragers. Jede Bauart und Aufstellungsanordnung von Wärmeübertragern hat für sich seine spezifischen Vor- und Nachteile.

Im Zeitalter von Rechnergestützten Modellierungen sind dreidimensionale (3D) Anlagenbau-Programme Vorreiter in der Industrie, die Ingenieure bei der Konstruktion von Rohrleitungen, bei der Instrumentierung und Apparatemodellierung, bei der Stahlbaumodellierung und bei der automatischen Generierung von Rohrisometrien während der gesamten Projektphase unterstützen.

Weltweit führende Anbieter von 3D-Engineering-Software für die Planung, den Bau und Betrieb von Anlagen sind:

Bentley mit AutoPLANT, Intergraph mit PDS, AVEVA mit PDMS, Autodesk mit Inventor, CADMATIC.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 3.4, Hybrid-Wärmeübertrager:

Der vollverschweißte Hybrid-Wärmeübertrager füllt die Lücke zwischen den Rohrbündel- und Platten-Wärmeübertragern. Gute Wärmeübertragung und sehr geringe Druckverluste sind die zu hervorhebenden Merkmale. Hybrid-Wärmeübertrager werden aufgrund ihrer vielfältigen Variationsmöglichkeiten unter anderem in der Chemie- und Pharmaindustrie, sowie in der Petrochemie, Kälte- und Heizungstechnik, Getränkeindustrie und in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.

3.4.1 Entwicklung des Hybrid-Wärmeübertragers:

Der Hybrid-Wärmeübertrager wurde ursprünglich zur Kühlung von Gasen entwickelt. Im Jahre 1967 wurde durch die Firma Linde AG in München eine Patentanmeldung mit der Bezeichnung „Spaltgaskühler“ beim deutschen Patentamt eingereicht. Das Patent wurde im Jahre 1972 erteilt und hatte eine Gültigkeit bis 1985. Die Linde AG baute diese Art von Wärmeübertrager erstmals in den Luftzerlegungsanlagen ein. Diese Technologie erwies sich damals als nicht optimal, deshalb wurden die Aluminium Platten-Wärmeübertrager eingesetzt. Der Erfinder des Hybrid-Wärmeübertragers erwarb das Patent im Jahre 1981 von der Linde AG. Er gründete die Firma Bavaria Anlagenbau und produzierte den Wärmeübertrager zunächst für die chemische Industrie. Darüber hinaus wurde der Wärmeübertrager in Meerwasserentsalzungsanlagen als Verdampfapparat und Vorwärmer eingesetzt.

3.4.2 Aufbau und Funktion:

Die vollverschweißte Konstruktion hat keine Dichtungen oder Lötstellen, so dass keine zusätzlichen Beanspruchungen (außer die bei Prozessabläufen entstehenden Beanspruchungen) statt finden. Der Begriff Hybrid (Mischling) leitet sich aus der Kombination von zwei unterschiedlichen Arten der Strömungskanäle ab. In einem Hybrid-Wärmeübertrager (engl. Plate & Shell Heat Exchanger) gibt es eine senkrecht durchströmte Rohr- und eine waagerecht durchströmte Wellenseite. Auf der Rohrseite, befindet sich ein rohrähnlicher Querschnitt, der dem Rohrbündel-Wärmeübertrager ähnelt, und auf der Wellenseite, ein Querschnitt, der dem Platten-Wärmeübertrager sehr nahe kommt. Aus diesem Grunde vereint der Hybrid-Wärmeübertrager die spezifischen Eigenschaften der beiden klassischen Ursprungsformen Rohrbündel- und Platten-Wärmeübertrager.

Das Plattenpaket des Hybrid-Wärmeübertragers besteht aus geprägten Formblechen (Grundelement für Hybrid-Wärmeübertrager), die paarweise übereinander gelegt, an den Längsseiten verschweißt sind. Zwei zusammen geschweißte Formbleche ergeben ein Formblechelement. Zwischen den Formblechen eines Formblechelements bilden sich wellenförmige- und senkrecht zur Wellenströmung, rohrförmige Strömungskanäle.

Weitere Konstruktionselemente des Hybrid-Wärmeübertragers sind die Seitenwände, in denen das Plattenpaket eingespannt wird, und die sich anschließenden Hauben mit den erforderlichen Ein-, Austritts-, Entlüftungs- und Entwässerungsstutzen. Die Hauben können dabei je nach Bedarf als Flanschverbindung oder als Schweißkonstruktion ausgeführt werden. Der Einbau eines Hybrid-Wärmeübertragers kann sowohl liegend als auch stehend erfolgen.