Verfahrenstechnik 3/2017

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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 <strong>2017</strong> 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/<strong>2017</strong>
® Innovationen rund ums Heizen und Beheizen Explosionsdarstellung eines Kanalwärmetauschers mit elliptischen Rippenrohren Flexible elektrische Heiztechnik • Begleitheizungen • Heizschlauchsysteme • Analyse-Heizleitungen • Flächenheizelemente • Ex-Heizungen pen leichter ausgeführt werden. Dies vereinfacht gleichzeitig die Konstruktion des gesamten Trockners, denn er muss weniger Last tragen können und kann sogar mit geringeren Kanalweiten umgesetzt werden. Die bessere Luftführung im CW-Rohr hat beim Einsatz als Trockner oder Luftvorwärmer außerdem den Vorteil, dass sich Schmutz weniger leicht absetzen kann. Die neue Anordnung der Rohre sorgt neben dem geringeren Druckverlust auf der Luftseite auch dafür, dass sich dort weniger Schmutzpartikel sammeln können, da nun freie Kanäle zwischen den Rohren die „Filterwirkung“ deutlich reduzieren. Das bedeutet für Betreiber geringere Wartungsund Reinigungskosten und eine höhere Anlagenzuverlässigkeit. Die Baumusterprüfung für den Einsatz des CW-Rohres in Trocknern war bei Redaktionsschluss beinahe abgeschlossen. Es ist zu erwarten, dass der entsprechende Bescheid im Frühsommer dieses Jahres vorliegt. Ab dann können auch Anwender aus der Papier- und Textilindustrie die Vorzüge des CW-Rohres für sich in Anspruch nehmen. www.kelvion.com Hillesheim GmbH Am Haltepunkt 12 D-68753 Waghäusel Tel.: 0 72 54 / 92 56-0 E-Mail: info@hillesheim-gmbh.de www.hillesheim-gmbh.de
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