Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Steigerung der Energieeffizienz von Produktionsprozessen durch innovative Wärmeübertrager: Verdampfung und Kondensation von Gemischen

Das Forschungsvorhaben „Energieeffiziente innovative Wärmeübertrager“ zielt auf die Etablierung von innovativen Verdampfer- und Kondensatorbauformen (strukturierte Rohre und Kissenplatten) bei Anwendungen in der Prozessindustrie ab.

An den vier beteiligten Forschungsstellen sollen dazu experimentelle Untersuchungen zur Verdampfung und Kondensation von verschiedenen Gemischen sowie Reinstoffen mit Inertanteilen durchgeführt werden, um somit Auslegungsmethoden für industriell relevante Einsatzfälle aufstellen und validieren zu können. Die Ergebnisdarstellung erfolgt als Vergleich der Verdampfungs- bzw. Kondensationsleistung der neuen Geometrien gegenüber einem Glattrohrapparat bei identischen Stoffsystemen und Prozessbedingungen. Es soll sich zeigen, welche Einsatz- und Betriebsbereiche der neuen Bauformen besonders vorteilhaft sind oder welche neuen Bereiche noch erschlossen werden können.

Dieses Projekt soll die Marktakzeptanz für innovative Bauformen in der Prozessindustrie erhöhen und damit gezielt kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) stärken, die solche Bauformen anbieten. Auf Basis der Projektergebnisse können diese die drei apparativen Wärmeübertragertechnologien, Glattrohr, Kissenplatten und strukturierte Rohre für zwei Anwendungsfelder, Verdampfung und Kondensation, vergleichend bewerten und auslegen. Dies erlaubt es ihnen, ihren Kunden die jeweils optimale apparative Lösung anzubieten. Dadurch wird ihre Leistungsfähigkeit erhöht und so die Wettbewerbsfähigkeit gestärkt. Die Bereitstellung der Rohdatenbasis ermöglicht es für solche KMU, die eigene Inhouse-Programme zur Wärmeübertragerauslegung haben, diese für neue, nicht selbst vermessene Geometrien weiter zu entwickeln. Experimentell abgesicherte und öffentlich verfügbare Dimensionierungsgrundlagen ermöglichen es vielen Ingenieurdienstleistern, ohne eigene experimentelle Möglichkeiten, die untersuchten innovativen Wärmeübertragerbauformen in ihr Leistungsportfolio aufzunehmen.

Ergebniszusammenfassung:

Die Projektergebnisse bieten einen transparenten Vergleich innovativer Technologien mit dem Stand der Technik. Hierdurch wird apparatebauenden KMU eine Gegenüberstellung von Glattrohr-, Rippenrohr- und Kissenplatten-Wärmeübertragern ermöglicht. Untersucht wurden die Verdampfung und die Kondensation an diesen Bauformen. Die im Vorgängerprojekt beobachtete Steigerung der Wärmeübertragungsleistung durch Rippenrohre und Kissenplattenapparate konnte für weitere Reinstoffe bestätigt und für Gemische erweitert werden. Eine Modellierung des Kissenplattenverdampfers anhand eines Rohrbündeläquivalent hat zudem gezeigt, dass die Kissenplatte wesentlich kompakter gegenüber dem Rohrbündeläquivalent ausfällt. Die an den Forschungsstellen durchgeführten Untersuchungen zeigen einheitlich, dass die Anwesenheit einer zweiten Komponente den Wärmeübergang an den betrachteten Geometrien bei der Verdampfung und der Kondensation negativ beeinflusst. Sowohl bei der Verdampfung als auch bei der Kondensation ist der negative Einfluss von Gemischen am Rippenrohr stärker ausgeprägt als am Glattrohr. Der Einfluss für weitsiedende Gemische ist deutlich größer als für engsiedende. Eine Belagbildung hat einen größeren negativen Einfluss auf den Wärmeübergang als ein engsiedendes Gemisch. Handelt es sich bei der zweiten Komponente um einen Nichtsieder bzw. um ein Inertgas, ist die Verringerung der Wärmeübertragungsleitung noch größer. Die im Projekt erhobene Datenbasis kann von KMU, die nicht über eigene experimentelle Möglichkeiten verfügen, als Grundlage zur Auslegung von Wärmeübertragern verwendet werden. Ein Vergleich der erhobenen Messdaten mit Berechnungsmethoden bestätigt die Verfügbarkeit von Auslegungsmethoden für die untersuchten innovativen Wärmeübertragergeometrien im Betrieb mit den verwendeten Stoffsystemen. Neben den Messdaten stellen auch die im Projekt durchgeführten Modellvergleiche, z. B. für ingenieursdienstleistende KMU, eine bisher nicht verfügbare Informationsbasis dar.