Wärmetauscher – Sicheres Beheizen von Prozessflüssigkeiten durch indirekte Beheizungssysteme

Werkstoffe 06. 10. 2020
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Die Mazurczak GmbH unterstützt die Galvano- und Oberflächentechnik mit Einrichtungen und Verfahrenstechnik für das sichere Heizen von wässrigen Medien in Fertigungsanlagen

In den letzten Jahren hat in Deutschland die Anzahl der Brände in den Betrieben der Oberflächentechnik zugenommen und ist auf 70 bis 80 Ereignisse pro Jahr angestiegen. Darunter waren zehn bis 15 Großschäden mit Schadenssummen von mehr als 500 000 Euro. In den meisten Fällen ist die Schadenssumme aus dem Betriebsausfall höher, als die des Brandschadens. Industrieversicherungen decken die Risiken von galvanotechnischen Betrieben zukünftig im ungünstigsten Fall gar nicht mehr oder nur noch unter deutlich erweiterten Auflagen ab. Verfahrenstechnische Schutzmaßnahmen wie der Einsatz von indirekten Beheizungssystemen beziehungsweise Wärmetauschern ­reduzieren das Brandrisiko [1, 3].

Indirekte Beheizungssysteme wie zum Beispiel Wärmetauscher SYNOTHERM® stellen eine Lösung für die sichere Prozesstemperierung dar, allerdings muss eine Heizquelle für die Erwärmung des Wärmeträgers vorhanden sein. Als zuverlässigste und gleichzeitig sichere Sekundärmedien haben sich Wasser, Thermoöl, Dampf und Glykol erwiesen. Entsteht bei einem Prozess ein Wärmeeintrag (z. B. durch die Umgebungswärme, Gleichrichter oder eine exotherme Reaktion) so kann dieser mit Hilfe von Wärmetauschern kompensiert und die Prozessflüssigkeit gekühlt werden.

Metallische und beschichtete Plattenwärmetauscher

Den wesentlichsten Bestandteil der Platten­wärmetauscher SYNOTHERM® aus Titan 3.7035/Grade 2 und Edelstahl (1.4301, 1.4404 und 1.4571) stellen zwei Metallbleche für die Herstellung der Basisplatte dar. Auf einer Tafelschere werden die Metallbleche auf die erforderliche Abmessung zugeschnitten. Das Punktschweißen und Kantenschweißen erfolgt durch einen reproduzierbaren, vollautomatischen Schweißprozess. Die beschichteten Plattenwärmetauscher verfügen ebenfalls über einen metallischen Grundkörper. In einem mehrstufigen Beschichtungsprozess wird eine Fluorpolymerbeschichtung auf die metallische Oberfläche aufgebracht.

Vor- und Rücklauf bestehen aus einer Verrohrung mit der entsprechenden Anschlusstechnik. Als Anschlusstechnik kann unter ­anderem ein Flansch oder ein Gewindenippel ausgewählt werden. Durch Hochdruckumformung wird die kissenähnliche Struktur der Platten­wärmetauscher erzeugt.

Alle Plattenwärmetauscher werden so ausgelegt, hergestellt und geprüft, dass sie der Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU entsprechen. Vor der Auslieferung wird jedes Gerät einer Überdruck- und Dichtigkeitsprüfung unterzogen. Die Mazurczak GmbH ist als Schweißfachbetrieb nach DIN EN ISO 3834-3 zertifiziert und hat alle ­schweißtechnischen Voraussetzungen zur Fertigung von Druckgeräten gemäß der Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU nachgewiesen.

Abb. 1: Charakteristische Kissenstruktur bzw. Linsenform (Bild: Mazurczak GmbH)

 

Vorteile metallischer Plattenwärmetauscher gegenüber Rohrschlangenwärmetauschern

Die Kissenstruktur ermöglicht eine starke Verwirbelung des Wärmetauschermediums und führt zu einer hohen Wärmedurchgangszahl k. Wie die Grundformel (Gl.  <1> [2]) zeigt, wird bei gleichbleibender Temperaturdifferenz Dϑln weniger Wärmeübertragungsfläche A benötigt, um die gleiche Leistung Q zu übertragen.

Q = k · A ·Δϑln <1>

Plattenwärmetauscher sind bis zu 33 % energieeffizienter, als Rohrschlangenwärme­tauscher und haben einen geringeren Platzbedarf. Die Platzersparnis reduziert die Baugrößen und Kosten der Behälter und es steht mehr Platz für andere Komponenten des Behälters oder der Anlage zur Verfügung. Folglich sparen Plattenwärmetauscher Platz, Gewicht, Material und Kosten.

Die kompakte, leichte und druckfeste Bauweise ohne Verschleißteile ermöglicht eine hohe Lebensdauer und große Betriebssicherheit einer Anlage. Durch die hohe Stabilität der Plattenwärmetauscher SYNOTHERM® wird die Gefahr der mechanischen Beschädigung oder Deformation im Vergleich zu Rohrschlangenwärmetauschern enorm reduziert.

Der Aufwand für die Instandhaltung der Plattenwärmetauscher ist im Vergleich zu Rohrschlangenwärmetauschern wesentlich geringer. Die ebene und glatte Oberfläche lässt sich einfach und schnell reinigen.

Abb. 2: Verwirbelung des Wärmetauscher­mediums im inneren des Wärmetauschers (Bild: Mazurczak GmbH)

 

Kunststoff-Wärmetauscher

Die Kunststoff-Wärmetauscher SYNOTHERM® eignen sich zum Beheizen und Kühlen vieler Medien, in denen metallische Plattenwärmetauscher nicht eingesetzt werden können. Mehrere PFA-Schläuche werden auf Halter aus den Kunststoffen PP oder PVDF gewickelt. Distanzlaschen zwischen den Schläuchen stellen eine ausreichende Durchströmbarkeit mit Prozessmedium sicher. Die Halter werden durch Rahmenstäbe stabilisiert, welche mit einer Schutzplatte abgedeckt sind.

Die Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten erfolgt bei den Kunststoffwärmetauschern SYNTOTHERM® abhängig von den Betriebsparametern, sodass die Baugröße optimal an die Anwendung angepasst wird. Die Kunststoffwärmetauscher wurden so konstruiert, dass das einzige druckbeaufschlagte Bauteil aus Kunststoff der PFA-Schlauch ist.

Das Material zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit aus, auch bei höheren Drücken. Die Schlauchwandstärke wurde so gewählt, dass eine große Stabilität bei gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit erreicht wird. Die übrigen Bauteile sind nicht druckbeaufschlagt und dienen allein der Unterstützung der Schläuche, sodass Materia­lien wie PP und PVDF ausreichend stabil sind. Es ergibt sich eine materialseitig optimierte Bauteilkombination, die für ein breites Spektrum an Betriebsparametern geeignet ist. Die Kunststoff-Wärmetauscher SYNOTHERM® werden druckgeprüft und entsprechen der Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU.

Alle verfügbaren Wärmetauscher der Baureihe SYNOTHERM® werden individuell projektiert und realisiert. Auch bei schwierigsten Einbausituationen kann so die optimale Einbauvariante durch variable Abmessungen und verschiedene Anschlussmöglichkeiten gefunden werden. Die 3D-CAD-Zeichnungen ermöglichen eine passgenaue Integration in den Behälter.

Effizienter Einsatz durch Überwachungstechnik

Mit Hilfe von geeigneter Überwachungstechnik können Wärmetauscher noch effizienter eingesetzt werden. Die Temperatur- und Niveauüberwachung von Prozessflüssigkeiten können vom Anwender optimal mit Temperatursensoren, Niveaustabsonden und Schwimmerschaltern mit zugehöriger Elektronik realisiert werden. Um die bestmögliche Wärmeübertragung zu ­gewährleisten sind bestimmte Vorgaben einzuhalten. Die Niveau­stabsonden stellen eine optimale Umströmung der gesamten Wärmetauscher­oberfläche sicher. Unter Verwendung von Temperaturfühlern kann je nach Temperatur der Prozessflüssigkeit der Volumenstrom des Wärmetauschermediums angepasst werden.

Zusammenfassung

Insbesondere in der Galvano- und Oberflächentechnik wird in den prozesstechnischen Anlagen eine Vielzahl von Flüssigkeiten und Chemikalien zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen verwendet. Prozessparameter wie zum Beispiel die exakte Temperaturführung des Elektrolyten in den Tanks und Behältern haben einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Produktoberfläche [1, 3]. Die Prozessflüssigkeiten und das Wärmetauschermedium stellen die unterschiedlichsten Anforderungen an die chemische und thermische Beständigkeit der eingesetzten Wärmetauscherwerkstoffe. Die sehr gute chemische und thermische Beständigkeit der Wärmetauscher wird durch den Einsatz unterschiedlichster Werkstoffe gewährleistet.

Unter Berücksichtigung der oben genannten Anforderungen ist die sichere Beheizung von Prozessflüssigkeiten in der Galvano- und Oberflächentechnik bei richtiger Anwendung von indirekten Beheizungssystemen wie Wärmetauschern empfehlenswert.

Literatur

[1] Klaus Frischmann: Sicheres Heizen – Brandschutz in der nasschemischen Produktion, (2018); https://www.mazurczak.de/de/Prospekte/Prospekt-73

[2] P. Böckh, T. Wetzel T. (Hrsg.): Wärmeübertragung, Grundlagen und Praxis, 6. Auflage (2015), Karlsruhe, S. 9

[3] Klaus Frischmann: Sicheres Heizen – ­Brandschutz in der nasschemischen Produktion; WOMag 1-2/2017; https://www.wotech-technical-media.de/womag/ausgabe/2017/01-02/22_frischmann_heizung_02j2017/22_frischmann_heizung_02j2017.php

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