Numerische Bestimmung des zulässigen Betriebsdrucks von Kissenplatten mittels Finite-Elemente-Methode
Alexander Zibart, Eugeny Kenig, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik, Universität Paderborn, Paderborn/Deutschland; Bernhard Spang, BUCO Wärmeaustauscher International GmbH, Geesthacht/Deutschland
Kissenplatten (engl. pillow plates) stellen eine innovative Art von Wärmeübertagungsequipment dar und zeichnen sich durch ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich Applikation sowie Fertigung aus. Dadurch, dass die Fertigung für gewöhnlich mittels CNC gesteuerten Laserschweißanlagen sowie einem nachgeschalteten Innenhochdruckumformprozess erfolgt, sind geometrische Anpassungen sehr einfach umsetzbar und setzen keine Herstellung von teuren Umformwerzeugen voraus. Die hohe Flexibilität und die damit einhergehende Komplexität der Kissenplattengeometrie macht einen rechnerischen Nachweis des zulässigen Betriebsdrucks unmöglich. Daher erfolgt in der Regel ein experimenteller Nachweis nach [1], bei welchem sich der zulässige Betriebsdruck in Abhängigkeit des Berstdrucks ergibt. Dessen Ermittlung setzt jedoch zeit- und kostenintensive Berstversuche voraus. In dieser Arbeit wurde daher geprüft, ob sich der Berstdruck zerstörungsfrei mittels strukturmechanischen Finite-Elemente Simulationen prädiktieren lässt, welche eine numerische Nachbildung der experimentellen Berstversuche darstellen. Als Validierungsbasis wurden für zwei stark differierende Kissenplattengeometrien Prüfprotokolle von durchgeführten Berstversuchen ausgewertet.
In [2] wurde weiterhin gezeigt, dass sich der thermische Widerstand von Kissenplattenwärmeübertagern durch Verwendung von Aluminium als Werkstoff der Kissenplatten anstelle von Edelstahl, um bis zu 25% reduzieren lässt. Daher wurde auf Basis der in dieser Arbeit hergeleiteten Methoden die Machbarkeit geprüft. Dazu wurde eine Parameterstudie durchgeführt, bei welcher das Schweißpunktraster sowie die Blechdicke variiert wurden. Als Werkstoff wurde die Aluminiumlegierung EN AW 5083 gewählt, welche in der Verfahrenstechnik weit verbreitet ist und sich durch eine gute Schweißbarkeit sowie Umformbarkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit auszeichnet. Im Fokus der Untersuchungen standen dabei die erzielbaren Berstdrücke und die beim Innenhochdruckumformprozess maximal realisierbaren Aufweitungen der Kissenplatten.
[1] VD TÜV, AD 2000 Merkblatt S5, Beuth Verlag GmbH, 2009
[2] A. Zibart, E.Y. Kenig, Numerical investigation of conjugate heat transfer in a pillow-plate heat exchanger, Int. J. Heat Mass Transf. 165 (2021), 120567
Eiserzeuger für den Betrieb mit Kälteträgern
Im Gegensatz zu einem BUCO-Eiserzeuger mit verdampfendem Kältemittel (mit oder ohne Temperaturgleit), findet hier das periodische Anfrieren und Abtauen mit Kälteträgern (Sole bzw. einphasige Gemische) statt. Dabei kommen häufig die Kälteträger MEG (Monoethylenglykol) und MPG (Monopropylenglykol) mit Konzentrationen von 35% oder höher zum Einsatz. Es kann eine kleinere Kälteanlage eingesetzt werden um den Kälteträger auf eine ausreichende Vorlauftemperatur abzukühlen. So lassen sich die weltweit stetig strengeren Auflagen hinsichtlich Energieeffizienz von Kälteanlagen und dem Einsatz von Kältemitteln sicher zur Zufriedenheit unserer Kunden umsetzen. Schon mit einer Kälteträger-Vorlauftemperatur von -10°C lassen sich hervorragende Ergebnisse hinsichtlich Eismenge pro Zeiteinheit [t/h] erzielen.
Gegenüber verdampfenden Kältemitteln ergibt sich durch den Einsatz von Kälteträgern thermodynamisch ein wesentlicher Unterschied: Die Temperatur des einphasigen Kälteträgers während der Durchströmung durch dieWärmeaustauschplatte ändert sich um mehrere Kelvin, da die aus dem anfrierenden Rieselfilm übertragene Energie nicht zur Verdampfung eines Kältemittels bei konstanter Temperatur führt. Da der Aufbau der Eisschicht während des Anfrierens hauptsächlich von der lokalen Temperatur des Kälteträgers und dem inneren Wärmeübergang abhängt, ergeben sich geringfügige Unterschiede der Eisdicke über die Wärmeaustauschplatte hinweg. Die Aufgabe der Ingenieure von BUCO ist es hierbei, den optimalen Kompromiss zwischen Volumenstrom des Kälteträgers, den Temperaturen und dem Druckverlust in der Wärmeaustauschplatte zu finden.
Beim Abtauprozess ist die Wahl der richtigen Temperatur des warmen Kälteträgers entscheidend. Bei zu niedrigeren Temperaturen wird die Abtauung ungleichmäßig oder kann sich stark verzögern. Bei zu hohen Temperaturen platzt das Eis zunehmend ab, anstatt von der Wärmeaustauschplatte zu rutschen. Zu hohe Temperaturen des warmen Kälteträgers sind zum einen nicht energieeffizient und zum anderen auch nicht notwendig, da der höhere Wärmeübergangskoeffizient des flüssigen Kälteträgers die Wand der Wärmeaustauschplatte schneller erwärmt und somit schneller einen Flüssigkeitsfilm zwischen dem Eis und der Wärmeaustauschplatte bildet als bei der Heißgasabtauung.
An unserer hauseigenen Versuchsanlage wurden über mehrere Jahre hinweg verschiedene Versuchsreihen mit unterschiedlichen Kälteträgern, Temperaturen, Druckverlusten und Stromführungen durchgeführt, um über eigens entwickelte Berechnungsmodelle und Korrelationen den Kunden einen optimalen Apparat für ihre Anwendungen anbieten zu können.