Richtige Auslegung von Batch-Wärmetauschersystemen

Batch-Heiz- oder Kühlsysteme sind in vielen Bereichen der modernen Industrie zu finden (Prozessindustrie, Lebensmittel, Pharmazeutik usw.). In diesen Systemen wird ein Behälter mit Inhalt gefüllt, der in einem vorgegebenen Zeitraum erhitzt oder gekühlt werden muss. Es ist wichtig, zwischen der direkten Erwärmung des Behälters (mit einer Jacke oder einer internen Spule) oder der indirekten Erwärmung mit einem externen Wärmetauscher und einer Produktzirkulationspumpe zu unterscheiden.

Einführung

Batch-Heiz- oder Kühlsysteme finden sich an vielen Stellen in der modernen Industrie (Prozess, Lebensmittel, Pharma usw.). In diesen Systemen wird ein Behälter mit Inhalt gefüllt, der in einem vorgegebenen Zeitraum erhitzt oder gekühlt werden muss. Wir können zwischen der direkten Erwärmung des Behälters (Jacke oder interne Spule) oder der indirekten Erwärmung mit einem externen Wärmetauscher und einer Produktzirkulationspumpe unterscheiden. Siehe die Abbildung unten.

 

 

 

Vorteile der Verwendung eines externen Wärmetauschers
• Durch die Wahl des richtigen Produktzirkulationsflusses ist es möglich, einen Wärmetauscher mit einer ausreichenden hohen Geschwindigkeit auf der Produktseite zu entwerfen. Dies hilft, die Wärmeübertragungsraten hoch zu halten und die negativen Auswirkungen der Wärmeübertragungsverunreinigung zu verringern.
• Es ist einfacher, ein Setup mit hoher Wärmeübertragung zu entwerfen.
• Existierende Tanks ohne Jacke oder Spule können durch Hinzufügen einer Pumpe, eines Wärmetauschers und Rohrleitungen nachgerüstet werden, um sie für Batch-Heiz- oder Kühlsysteme zu verwenden.

Systemdefinition

Die nächste Abbildung zeigt ein detailliertes Setup eines Batch-Systems mit externem Wärmetauscher.

1. 1. In der Abbildung wird der Behälter mit Produkt auf das gewünschte Niveau gefüllt. Mb ist die gesamte Batch-Masse (kg). Tbi ist die Anfangstemperatur des Batches (°C). Tbe ist die gewünschte Endtemperatur des Batches (°C).

   2. Die Pumpe wird gestartet und das Produkt wird zirkuliert. Fp ist die Produktflussrate (kg/h).

   3. Ein Servicefluid wird dem Wärmetauscher zugeführt. Fs ist die Servicefluid-Flowrate (kg/h). Tsi ist die Service-Eingangstemperatur (°C). Tso ist die Service-Austrittstemperatur (°C).

   4. Der Batch wird langsam erhitzt oder gekühlt (je nach Anwendung). Tpi ist die Eintrittstemperatur zum Wärmetauscher (°C). Tpi entspricht der Bachtemperatur. Es wird angenommen, dass der Rührer eine gute Mischung und eine homogene Temperatur des gesamten Batches gewährleistet.

   5. Wenn Tbe erreicht ist, wird die Produktzirkulation gestoppt und der Behälterinhalt wird entleert.

   6. Instrumentierung an Schlüsselpunkten (Durchfluss-, Temperatur- und Pegeltransmitter, FT, TT, LT) ermöglicht es, die Prozessparameter zu überwachen und den Prozess zu steuern.

   7. Es ist möglich, mit verschiedenen Arten von Servicefluiden zu arbeiten: Isotherme Servicefluid bedeutet, mit einem Fluid zu arbeiten, das einen Phasenübergang durchläuft. Zum Beispiel Dampf, der zum Erhitzen verwendet wird. Ein nicht-isothermes Servicefluid bedeutet, mit einem Fluid zu arbeiten, das seine Phase nicht ändert; zum Beispiel Wasser zum Heizen oder Kühlen, das nicht auf Siedetemperatur oder unter den Gefrierpunkt gebracht wird.

Design-Richtlinien

Bei der Auslegung eines Batch-Heiz- oder Kühlsystems wird das Problem normalerweise so präsentiert:

Heizung von 1 m³ Wasser von 20 bis 90°C unter Verwendung von überhitztem Wasser als Servicefluid. Benötigte Batch-Heizzeit: maximal 30 Minuten.

Für das Design eines solchen Batch-Systems gibt es viele Variablen, mit denen gespielt werden kann. Unten haben wir die wichtigsten Designparameter hervorgehoben und einige grundlegende Regeln zur Verfügung gestellt, die dem Designingenieur helfen, die beste Systemlösung zu finden.

Gesamtsystemmasse

In einem Batch-Heiz- oder Kühlsystem wird das Material im Behälter, in den Rohrleitungen, der Pumpe und dem Wärmetauscher Teil des Wärmeübertragungsprozesses. Im obigen Beispiel werden auch diese Materialien von 20 bis 90°C erhitzt. Ein Teil der Wärme, die vom überhitzten Wasser abgegeben wird, wird von den umgebenden Materialien aufgenommen. Normalerweise ist dieser Prozentsatz der aufgenommenen Wärme viel geringer als die Wärme, die von der Batch-Masse aufgenommen wird.

Die Wärme, die in die Systemmasse zugeführt wird, ist nur ein kleiner Bruchteil der gesamten Wärmezufuhr, aber sie muss trotzdem als mögliche Wärmeverlustquelle zu anderen Elementen als dem Behälterinhalt bewertet werden. Der richtige Weg ist, die Systemmasse und die spezifische Wärme zu berechnen/zu schätzen und diesen Wert in die Batch-Heizberechnung einfließen zu lassen.

Produktzirkulationsfluss, Fp

Fp ist ein wichtiger Parameter. Eine Änderung von Fp hat direkten Einfluss auf die benötigte Batch-Zeit. Es wird empfohlen, dass die Batch-Zeit ausreicht, damit die gesamte Batch-Masse mehrmals durch den Wärmetauscher gepumpt wird. Beispielsweise beträgt bei einem Batch von 1.000 Litern und einer Behandlung von 1 Stunde mit einem Fp-Wert von 1.000 Litern/Stunde jedes Liter Produkt nur einmal durchschnittlich durch den Wärmetauscher. Wird der Durchfluss auf 3.000 l/h erhöht, bedeutet dies, dass jedes Liter Material dreimal durch den Wärmetauscher geht. Eine Verringerung des Produktflusses bedeutet, dass eine größere Wärmeübertragungsfläche erforderlich ist, um die benötigte Batch-Zeit zu erreichen.

Wir haben Fälle gesehen, in denen eine 50%ige Reduzierung von Fp den Einbau von 30% mehr Wärmeübertragungsfläche erforderte. In der Regel ist die zusätzliche Investition in die Wärmeübertragungsfläche höher als die Ersparnis durch eine Pumpe mit geringerer Kapazität.

Es sollte auch darauf geachtet werden, keine zu hohen Fp-Werte auszuwählen, da dies zu erhöhten Pumpkosten führen könnte. Die Kapitalinvestition wird verringert, aber die Betriebskosten können viel höher sein.

Als allgemeine Regel empfehlen wir, mit einem Durchflusswert zu beginnen, der die Batch-Masse während der benötigten Batch-Zeit ungefähr dreimal umwälzt.

Servicefluiddurchfluss, Fs

Um den Servicefluiddurchfluss zu analysieren, müssen wir zwischen isothermalen und nicht-isothermalen Servicefluiden unterscheiden.

Für isotherme Servicefluide hängt die Batch-Zeit nicht von Fs ab. Wenn Dampfheizung verwendet wird, hängt die Menge an kondensiertem Dampf von der Wärmeübertragungskapazität des

Wärmetauschers ab: U x A und der Temperaturdifferenz zwischen dem Service- und dem Produktfluss.
• U = Wärmeübertragungskoeffizient (kcal/h.m².°C)
• A = Wärmetauscherfläche (m²)

Da das System auf der Service-Seite isotherm ist, ändert sich die Temperaturdifferenz zwischen Service und Produkt nicht bei einer Änderung des Service-Durchflusses.

Für nicht-isotherme Servicefluide ist die Situation anders. Eine Reduzierung von Fs kann eine größere Temperaturdifferenz zwischen der Service-Eingangstemperatur und der Service-Austrittstemperatur verursachen, und die durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen Service und Produkt wird sinken. Die Wärmeübertragungskapazität wird beeinträchtigt und die Batch-Zeit wird länger. Die

Fluidgeschwindigkeit im Wärmetauscher wird ebenfalls sinken, was zu einer Reduzierung des Wärmeübertragungskoeffizienten führt. Um dies zu kompensieren, muss mehr Wärmeübertragungsfläche installiert werden.

Wir empfehlen, den Designprozess mit Werten für Fs zu beginnen, die zwischen dem Zwei- bis Dreifachen des Werts von Fp liegen.

 

Servicefluidtemperatur, Ts

Normalerweise kann die Temperatur des Servicefluids nicht geändert werden. Kühl- oder Heizwasser kann von einem zentralen System zur Verfügung gestellt werden, das Dienstleistungen für verschiedene Anlagen im Werk bereitstellt, und die Temperaturen können für einzelne Batchsysteme nicht angepasst werden. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn man beispielsweise mit Dampfkesseldampf arbeitet. Kessel liefern Dampf bei einem Druck von 6 bis 8 bar, und am Dampfabnahmepunkt kann die Dampftemperatur durch Installation von Druckminderungs- und/oder Regelventilen reguliert werden. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Dampftemperatur, desto größer ist der Temperaturunterschied zwischen Servicefluid und Produkt, und desto kürzer sind die Batchzeiten.

Es ist jedoch wichtig, dass die Servicetemperatur nicht so hoch ist, dass das Batchprodukt überhitzt wird. Ähnliche Situationen können auch in Kühlanwendungen auftreten, bei denen das Risiko besteht, dass Produkte auf Temperaturen unter ihren Gefrierpunkt gebracht werden. Zum Beispiel:

1000 kg Produkt in Wasserlösung (Siedepunkt 100°C) mit einer spezifischen Wärmekapazität von 1 kcal/kg.°C, das in 30 Minuten von 20°C auf 80°C mit Kesseldampf erhitzt werden soll. Die Systemmasse beträgt 200 kg Edelstahl mit einer spezifischen Wärmekapazität von 0,12 kcal/kg.°C. Die Umwälzpumpe hat eine maximale Förderrate von 3000 kg/h.

Der Designingenieur schlägt eine Lösung vor, die eine Dampftemperatur von 120°C und einen Wärmetauscher von 1,5 m² mit einem Wärmeübertragungskoeffizienten von 2000 kcal/h.m².°C umfasst. Er berechnet eine Batch-Heizzeit von 29 Minuten und 41 Sekunden. Er vergisst jedoch, die Produktausgangstemperaturen am Austritt des Wärmetauschers zu berechnen. Hätte er dies getan, hätte er folgende Temperaturtabelle erhalten:

Die gesamte Batch-Heizzeit beträgt nur etwas mehr als 30 Minuten, aber die Austrittstemperatur des Produkts hat den Siedepunkt nicht überschritten.

Eine bessere Lösung für das Problem wäre, die Pumpe zu ändern und mit einer höheren Produktumwälzrate zu arbeiten. Durch Verdopplung der Förderrate auf 6000 kg/h können wir die Wärmeübertragungsfläche auf 1,1 m² reduzieren und dennoch eine Überhitzung des Produkts vermeiden:

Bei 6000 kg/h wird die gesamte Batchmasse in der Batchperiode von 30 Minuten dreimal umgepumpt. Dies entspricht der Empfehlung, die in der vorherigen Analyse der Produktumwälzrate gegeben wurde.

Wir empfehlen dringend, immer die Austrittstemperatur des Produkts am Wärmetauscher zu überprüfen und sicherzustellen, dass sie unter den maximal akzeptablen Werten bleibt.

Wärmeübertragungskoeffizient und Wärmeübertragungsfläche, U und A

Diese beiden Parameter sind im Designprozess eng miteinander verbunden. Normalerweise werden zuerst die Produkt- und Serviceflussraten definiert, und dann wird die Wärmeübertragung berechnet. Mit dem bekannten U-Wert wird ein A-Wert gewählt, der der gewünschten Batch-Behandlungszeit entspricht. Werte für A, die zu hoch sind, führen zu teuren Wärmetauschern. In diesem Fall kann die Entscheidung getroffen werden, die Prozessbedingungen zu ändern, sodass U steigt und A reduziert werden kann.

Eine weitere Möglichkeit, die benötigte Wärmeübertragungsfläche zu verringern, besteht darin, die Servicetemperatur zu ändern, um einen größeren Unterschied zwischen Service und Produkt zu erzielen. Wie wir jedoch bereits gesehen haben, kann dies zu unerwünschten Effekten führen, daher ist Vorsicht geboten.

Für Flüssigkeiten mit stabilen physikalischen Eigenschaften im Temperaturbereich ist es eine gute Annäherung, U bei der mittleren Temperatur des Batchprozesses zu berechnen.

Für Flüssigkeiten mit variierenden Werten empfiehlt es sich, U für die Start- und Endbedingungen des Batchprozesses zu berechnen und dann den Durchschnittswert von U zu ermitteln, der in die Batchzeitberechnung einfließt.

Beispiele für Systeme mit sich ändernden U-Werten umfassen:

• Batch-Heizgeräte, die Dampf verwenden und bei denen am Ende des Batches höhere Wärmeübertragungskoeffizienten auftreten als zu Beginn.
• Batch-Kühlanwendungen können große Änderungen in der Viskosität des Produkts aufweisen. Dies wird häufig in Anwendungen der Lebensmittelindustrie beobachtet, bei denen die erhöhte Viskosität am Ende des Batch-Kühlprozesses die Wärmeübertragungskoeffizienten verringert.

Platzbeschränkungen

Aus wirtschaftlicher Sicht ist es für Batch-Prozesse am besten, Rohrwärmetauscher so zu gestalten, dass sie länger sind und einen kleineren Gehäusedurchmesser haben, anstatt kürzer mit einem größeren Gehäusedurchmesser.

Wenn keine Platzbeschränkungen bestehen, sollte man Rohrwärmetauscher mit längeren Längen anstreben.

Bei Plattenwärmetauschern ist die Situation anders, da diese aufgrund ihrer Bauweise sehr kompakt sind und in viel kleineren Räumen gestaltet werden können. Bestimmte Anwendungen erfordern jedoch Rohrwärmetauscher. Wenn der Platz begrenzt ist, gibt es alternative Lösungen:

Mehrfachpass-Wärmetauscher:

Mehrfachpass-Wärmetauscher sind eine gute Lösung für Batch-Anwendungen mit isothermen Serviceflüssigkeiten.

Für Batch-Systeme mit nicht-isothermen Serviceflüssigkeiten sollten Temperaturkreuzungen möglichst vermieden werden.

Wenn Mehrfachpass-Einheiten keine Option sind, kann ein Design mit verschiedenen Einweg-Wärmetauscher-Modulen in Reihe angeordnet werden, die mit verbindenden Biegungen verbunden sind. Auf diese Weise kann die kombinierte Anordnung die gesamte thermische Länge bieten, die für einen reinen Gegenstromdurchfluss in einem kleineren Raum erforderlich ist. Die maximale Modullänge wird durch die Platzbeschränkungen definiert.

Einweg-Module mit reduzierten Längen, die in Reihe verbunden sind, sind eine gute Lösung für Batch-Anwendungen mit Temperaturkreuzungen und Platzbeschränkungen.