Evaluierung von Rohrbündel-, Platten- und Hybrid-Wärmeüberträgern und der Vergleich deren 3D-Aufstellungen mit Bentley AutoPlant

1 Einleitung

Eines der wichtigsten Verfahren in der Industrie ist die Wärmeübertragung, die das Herz vieler verfahrenstechnischer Prozesse darstellt. Gerade in den letzten Jahren hat die Ersparnis teurer Primärenergie, die Wichtigkeit der Wärmeübertragung in der chemischen und petrochemischen Industrie in den Vordergrund gestellt. Die Notwendigkeit in verfahrenstechnischen Prozessen die Fluide zu erhitzen, zu verdampfen, zu kühlen oder zu kondensieren, wird realisiert mit Hilfe von Wärmeübertragern, auch bekannt als Wärmetauscher.

Durch technische und wirtschaftliche Anforderungen in den Prozessen Energie einzusparen bzw. sekundär in anderen Prozessen einzusetzen, ist eine optimale Auswahl des einzusetzenden und anschließend aufzustellenden Wärmeübertrager sehr entscheidend, da in vielen Anlagen die Aufstellungskapazitäten bezüglich der Flächen begrenzt sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1-1: Einblick in die petrochemische Industrie [1]

In der Planungsphase eines Projektes spielt die Aufstellungsplanung eine bedeutende Rolle. Die Überdimensionierung bei der Aufstellung und Auslegung bzw. die falsche Auswahl des Wärmeübertragertypen führen für viele Unternehmen zu unnötig hohen Kosten. Neben der Überdimensionierung des Flächenbedarfs bei der Aufstellungsplanung führen auch unzureichende Flächenkapazitäten bei der Montage, Inbetriebnahme, Bedienung und Wartung der Anlagen zu aufwendigen Problemen und damit zu erheblichen Kosten.

Die unterschiedlichen Bauformen auf dem Markt und die zahlreichen Einsatzbereiche in der Industrie, erschweren zusätzlich die Auswahl eines optimal geeigneten Wärmeübertragers. Die Stromführung in Wärmeübertragern wird nach Gleichstrom-, Gegenstrom- oder Kreuzstromverfahren unterschieden. Abhängig von ausgewählten Prozessen werden spezifische Wärmeübertragertypen eingesetzt, wobei der Rohrbündel-Wärmeübertrager in der verfahrenstechnischen Industrie den Hauptteil einnimmt. An zweiter Stelle liegt, mit steigender Tendenz, der Platten-Wärmeübertrager. Auch hier gibt es inzwischen eine große Anzahl an verschiedenen Bautypen. Besonders mit kompakten und platzsparenden Bauweisen erobern sich Platten-Wärmeübertrager in zunehmendem Maße neue Einsatzgebiete.

Technisches Know-how und moderne Fertigungsanlagen bilden die Basis für die Produktion einer neuen Generation von Wärmeübertragern für verfahrentechnische Anlagen, dem so genannten Hybrid-Wärmeübertrager, der die Lücke zwischen den Rohrbündel- und Platten-Wärmeübertragern füllen soll. Der Hybrid-Wärmeübertrager kombiniert die Temperatur- und Druckfestigkeit eines Rohrbündel-Wärmeübertragers mit der konstruktiv kompakten Bauweise des Platten-Wärmeübertragers. Jede Bauart und Aufstellungsanordnung von Wärmeübertragern hat für sich seine spezifischen Vor- und Nachteile.

Im Zeitalter von Rechnergestützten Modellierungen sind dreidimensionale (3D) Anlagenbau-Programme Vorreiter in der Industrie, die Ingenieure bei der Konstruktion von Rohrleitungen, bei der Instrumentierung und Apparate-modellierung, bei der Stahlbaumodellierung und bei der automatischen Generierung von Rohrisometrien während der gesamten Projektphase unterstützen.

Weltweit führende Anbieter von 3D-Engineering-Software für die Planung, den Bau und Betrieb von Anlagen sind:

- Bentley mit AutoPLANT
- Intergraph mit PDS
- AVEVA mit PDMS
- Autodesk mit Inventor
- CADMATIC

In Abbildung 1-2 ist eine 3D-Aufstellung einer petrochemischen Industrieanlage dargestellt, die mit den Anwendungen von Piping- (Verrohrung), Equipment- (Apparate und Maschinen) und Structural (Stahlbau) -Modulen erstellt ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1-2: 3D-Aufstellung einer Industrieanlage [1]

1.1 Ausgangssituation und Aufgabenstellung

Der Einsatz von Wärmeübertragern in fast allen Bereichen der chemischen und der petrochemischen Industrie führen zu der Notwendigkeit die Auslegung, die Aufstellung und den Einsatz solcher Apparate optimal zu planen.

Die Flächenkapazität in den meisten Industrieanlagen ist Mangelware, deshalb sind kompakte und trotzdem leistungsfähige Anlagen erwünscht. Die Zuverlässigkeit und die Robustheit stehen bei Wärmeübertragern ganz oben auf der Anforderungsliste. Einerseits sollen die Apparate hohen Drücken und hohen Temperaturen standhalten können, andererseits soll der Werkstoffeinsatz minimiert und eine möglichst hohe Wärmeübertragung je Flächen- und Rauminhalt erreicht werden. Die Vielzahl der Hersteller von Wärmeübertragern mit stark schwankenden Preisen, erschwert zusätzlich die Auswahl des geeigneten Wärmeübertragers.

Im Rahmen dieser Arbeit werden 3D-Aufstellungen von Rohrbündel-, Platten- und Hybrid-Wärmeübertragern für den optimalen Einsatz an einem ausgewählten Beispielprojekt bewertet. Die Auswahl der Wärmeübertrager erfolgt nach der Auslegung einer Wärmeübertragungsaufgabe, wobei bestimmte verfahrens-technische Größen wie Wärmestrom, Wärmeträgerfluide und Temperaturen bekannt sind. Über die vorgegebenen verfahrenstechnischen Größen, sind die notwendigen Prozessgrößen zu errechnen, mit denen die Wärmeübertrager ausgewählt werden. Im Anschluss an die rechnergestützten 3D-Aufstellungen der drei Wärmeüber-tragertypen sind technische und wirtschaftliche Vergleichspunkte zu analysieren.

Folgende Punkte sind Kernbestandteile dieser Arbeit:

- Zusammenfassungen der Begriffe Wärme und Wärmetransport
- Zusammenfassungen von Rohrbündel- und Platten-Wärmeübertragern
- Zusammenfassung des am Markt noch weitgehend unbekanntem Hybrid-Wärmeübertrager
- Im praktischen Teil dieser Arbeit ist ein Beispielprojekt einzuführen, in dem die verfahrenstechnischen- und Konstruktionsparameter für die 3D-Aufstellungen festgelegt und anschließend drei unterschiedliche Bauarten von Wärmeüber-tragern ausgewählt werden
- Sicherer Umgang mit Bentley AutoPLANT, insbesondere in den Modulen: Equipment, Piping und Structural, sowie die Visualisierung mit Projectwise Navigator
- Erstellungen von 3D-Aufstellungen der untersuchten Wärmeübertrager mit deren Verrohrungen in unmittelbarer Nähe, sowie dafür benötigter Stahlbau
- Evaluierung in technischer Hinsicht; Flächenbedarfs- und Raumbedarfsanalysen bei den Aufstellungen der Wärmeübertrager
- Evaluierung in wirtschaftlicher Hinsicht; Materialkosten für Piping und Equipment

Die Ergebnisse der 3D-Aufstellungen, bezüglich der technischen und wirtschaftlichen Auswertungen sollen zeigen, welcher Wärmeübertragertyp bei einem vorgegebenen Wärmestrom (Wärmeleistung) am kostengünstigsten ist. Des Weiteren sollen dem Leser dieser Arbeit, die Vorteile einer 3D-Aufstellung mit Bentley AutoPLANT gegenüber herkömmlicher Verfahren (2D-Aufstellungen), wie z.B. mit AutoCAD verdeutlicht und das Potential einer erheblichen Zeiteinsparung dargestellt werden.

Alle 3D-Aufstellungen und damit verbundene Abbildungen werden mit der Software Bentley AutoPLANT in der Konstruktionsabteilung der Encos GmbH erstellt.

1.2 Wärmetransportmechanismen

Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik erfolgt der Wärmetransport ohne Arbeitsaufwand nur von einem höheren zu einem niedrigeren Temperaturniveau. Damit ist die Wärmeübertragung als Transport thermischer Energie, der durch Temperaturdifferenzen über mindestens eine Systemgrenze hinweg entsteht, zu verstehen. [5]

Haben die angrenzenden Systeme die gleiche Temperatur, erfolgt keine Wärmeübertragung. Dieser Wärmezustand kann als ein thermisches Gleichgewicht bezeichnet werden. Wenn Wärme ins System zugeführt wird, dann bekommt es einen positiven und bei abgeführt einen negativen Vorzeichen.

Es gibt drei unterschiedliche Übertragungsmechanismen der Wärmeübertragung, die einzeln oder nebeneinander auftreten können:

- Wärmeleitung
- Konvektiver Wärmeübergang
- Wärmestrahlung

In dieser Arbeit wird die Technik der Wärmestrahlung nicht weiter erläutert. Es sind nur die Wärmeleitung und der konvektiver Wärmeübergang von Bedeutung.

1.2.1 Wärmeleitung

Der Wärmetransport in Feststoffen erfolgt ausschließlich durch Wärmeleitung. Bei flüssigen und gasförmigen Medien spielt die Wärmeleitung nur dann eine Rolle, wenn sich die Fluide zueinander in Ruhe befinden. Ein Beispiel ist, dass die eingeschlossene Luft in den Hohlräumen poröser Baustoffe die Wärmedämmung erhöht. [5]

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