Verfahrenstechnik 3/2017

VERFAHREN UND ANLAGEN
Leichter, leiser,
leistungsstärker
Optimiertes Rippenrohr ermöglicht leichtere
und effizientere Kühler und Trockner
Die Neukonstruktion eines elliptischen Rippenrohrs steigerte
seine Effizienz erheblich. Von der Verbesserung profitieren
Luftkühler, Kraftwerkskondensatoren, Trockner und viele andere
Wärmetauscher. Zum Beispiel benötigen Kühler auf Basis des
neuen Rohres fast ein Drittel weniger Strom für die
Ventilatoren – und sind dabei leichter.
Seit seiner Erfindung vor 95 Jahren
kommt das elliptische Rippenrohr in
unzähligen Bereichen der Industrie zum
Einsatz: zum Beispiel in Trocknern für die
Papier- und Textilindustrie, Prozesskühler
in der Chemie und Petrochemie sowie als
Wasserkühler und Kondensatoren in der
Kraftwerksindustrie. Die elliptische Form
des Kernrohres setzt Luft einen geringeren
Widerstand entgegen als ein rundes Rohr,
sodass luftseitig weniger Antriebsenergie
erforderlich ist.
Viele haben das elliptische Rippenrohr
als bereits „ausentwickelt“ angesehen, glaubten
nicht an nennenswerte Optimierungsmöglichkeiten.
Doch in der Ausführung
schlummerte durchaus Verbesserungspotenzial
– das hat Kelvion in Zusammenarbeit
mit der Westfälischen Hochschule Gelsenkirchen
bewiesen. Mehrere im vorigen Jahr
umgesetzte Einsatzbeispiele belegen, dass
der Vorteil nicht nur auf dem Papier vorhanden
ist, sondern den Anwendern praktischen
Nutzen beschert.
Von der Simulation in die Praxis
Am Anfang der Optimierung standen Untersuchungen
auf Basis der numerischen
Strömungssimulation (CFD). Dabei wurden
verschiedene Aspekte untersucht: der Einfluss
der Ellipsengeometrie, verschiedene
Varianten zur Anordnung der Rohre bei
mehrreihigen Kühlern, das Verhältnis von
Autor: Christian Wüllner, Leiter Forschung &
Entwicklung, Kelvion GmbH, Bochum
Ellipse zu Rippenfläche, die Rippengeometrie
und welche Auswirkung Form und Anordnung
der Turbulatoren haben.
Insbesondere hinsichtlich der Turbulatoren
der Rippen bot sich ein erhebliches Verbesserungspotenzial:
Durch ihre Optimierung
ließ sich die Strömung so gestalten,
dass sie erst spät vom Kernrohr abreißt. So
wird viel Wärme dort übertragen, wo der
Temperaturunterschied zwischen Medium
und Luft am größten ist, was der Effizienz
zugutekommt. Es ergibt sich also ein kleiner
„Windschatten“. An den Stellen unmittelbar
in Kernrohrnähe konnte die Grenzschicht
der Luftströmung verkleinert und der Turbulenzgrad
erhöht werden, was ebenfalls
zum Effizienzgewinn beiträgt.
Deutlicher Effizienzgewinn
Zusammen mit weiteren Verbesserungen
ergibt sich ein gut zweistelliger Effizienzgewinn:
In einem Luftkühler, der mit einer
Geschwindigkeit von 3 m/s angeströmt
wird, führen die von Kelvion erreichten
Optimierungsmaßnahmen zu einem 23 %
besseren Wärmeübergang. Dies wurde zunächst
anhand eines Prototyps verifiziert
und im Laufe der vergangenen anderthalb
Jahre in die Praxis umgesetzt.
Aufgrund der verbesserten Aerodynamik
lag es nahe, bei der Namensgebung des optimierten
Rippenrohres an die Maßzahl für
den Luftwiderstand zu denken, den auch aus
der Automobilindustrie bekannten c w
-Wert.
Dementsprechend ist die Neukonstruktion
nun als CW-Rohr am Markt eingeführt. Für
einen zuverlässigen Dauerbetrieb sorgt seine
Stahlverzinkung. Sie ermöglicht den problemlosen
Einsatz über viele Jahrzehnte hin-
weg und bietet auch bei einer aggressiven
Umgebung guten Schutz gegen Korrosion.
Geringerer Stromverbrauch
Mittlerweile sind mehrere Großkühler mit
den verbesserten elliptischen Rippenrohren
im Einsatz und bis Anfang 2017 konnte
Kelvion bereits für mehrere Millionen Euro
Aufträge aus der Kraftwerksindustrie sowie
der Chemie/Petrochemie für Kühler mit
dem optimierten Rippenrohr verbuchen.
Was die Investoren überzeugte, war, dass
sich mit dem neuen CW-Rippenrohr die
gleiche Wärmeleistung bei geringeren luftseitigen
Druckverlusten abführen lässt, was
zu einem geringeren Stromverbrauch bei
den Ventilatoren führt.
Bezieht man alle Vorteile des neuen CW-
Rohres in die Konstruktion eines Kühlers
ein, lässt sich dieser mit einem geringeren
Materialeinsatz – somit preiswerter und
leichter – herstellen und zugleich die Leistungsaufnahme
der Ventilatoren verringern.
Da weniger Luftleistung gefordert
wird, laufen die Ventilatoren langsamer und
leiser. Somit profitieren sowohl Betreiber
und Hersteller als auch benachbarte Anwohner
von den Vorzügen des CW-Rohres –
und nicht zuletzt unser Klima.
Trockner leichter bauen
Im doppelten Sinn leichter ist auch der Bau
von Trocknern mit dem CW-Rohr: Der verbesserte
Wärmeübertrag sorgt dafür, dass für
die gleiche Heizleistung eine geringere Anzahl
an Rippenrohren erforderlich ist. Die
Wärmetauscher können somit kleiner und
gegenüber konventionellen Rippenrohrty-
8 VERFAHRENSTECHNIK 3/2017