Ziel der Entwicklung
Wärmeübertrager bilden die Kernelemente zahlreicher Kühl- sowie Verflüssigungssysteme und werden bereits seit über einhundert Jahren ausgelegt sowie gefertigt. Dabei wird Wärme von einem Primärfluid an ein Sekundärfluid übertragen. Ausgehend von ursprünglich recht einfachen Konstruktionen haben sich heutzutage vielzählige verschiedene Typen an Wärmeübertragern etabliert, deren Optimierung nach wie vor Gegenstand der Forschung ist. Dabei steigen durch den technologischen Fortschritt und die Herausforderungen durch die Energiewende die Anforderungen an die Auslegung von Wärmeübertragern ständig.
Diese Herausforderungen sind insbesondere sehr hohe Temperaturdifferenzen zwischen dem Primär- und Sekundärfluid wie sie beispielsweise in der Tieftemperatur- und auch in der Kraftwerkstechnik auftreten. In Bezug auf das Primärfluid tritt hier oft der Leidenfrost-Effekt auf (eher als tanzender Wassertropfen auf einer heißen Herdplatte bekannt), der die Wärmeübertragung signifikant verschlechtert und auch als Siedekrise bezeichnet wird. Kommen tiefkalte verflüssigte Gase als Primärfluid zum Einsatz, besteht die Gefahr, dass das Sekundärfluid seine Schmelztemperatur unterschreitet und an den kalten Wärmeübertragerflächen festfriert und eine isolierende Eisschicht bildet. Beide Effekte werden in der herkömmlichen Software zur Wärmeübertragerauslegung zwar zum Teil erkannt, aber nicht in der Berechnung berücksichtigt, die Software bricht die Berechnung einfach mit einem Fehler ab. Inhalt dieses FuE-Vorhabens war es, diesen Herausforderungen mit einem nächsten Entwicklungsschritt zu begegnen, indem neue Berechnungsalgorithmen für zahlreiche Anwendungen entwickelt wurden, die diese Effekte berücksichtigen und handeln können. Diese Berechnungsalgorithmen wurden sowohl mittels CFD-Simulationen als auch an innerhalb des FuE-Vorhabens real realisierten Wärmeübertragern validiert und optimiert.
Als Ergebnis stehen Berechnungsalgorithmen zur Verfügung, die sowohl intern zur Auslegung von Wärmeübertragern für Aufträge aus der Industrie als auch extern als solche selbst vermarktet werden können. Von den real realisierten Wärmeübertragern konnten bereits einige erfolgreich in Industrie- und Forschungsanwendungen überführt werden. Mit Hilfe dieser Berechnungsalgorithmen wird nicht nur eine schnellere, sondern auch eine zielführende Ausführung der Aufträge erreicht, was zu einer erheblichen, internen Umsatzgenerierung und Kosteneinsparung bei den Auftraggebern führt.
Vorteile und Lösungen
Für die Serienfertigung der Wärmeübertrager von Kälteanlagen, verwenden die Hersteller proprietäre Software die mit deren Messdaten validiert wurde. Für den Projektmarkt und Sonderanlagenbau kann diese Software gar nicht oder nur bedingt verwendet werden, da die Anforderungen insbesondere in der Tieftemperaturtechnik, weitaus komplexer sind als in der Massenproduktion. Der Lösungsansatz war daher ähnlich wie in der Massenproduktion zu verfahren und eigene, universell verwendbare Softwarelösungen (Berechnungsalgorithmen) zu erstellen und diese sowohl anhand von realisierten Wärmeübertragern als auch mit CFD-Simulationen zu validieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden folgende Entwicklungsschritte durchgeführt:
– Durchführung einer Internet- und Literaturrecherche um den aktuellen Entwicklungsstand auf diesem Gebiet zu ermitteln. Ergebnis: Eine Matrix mit Berechnungsgleichungen zur Auslegung von Wärmeübertragern unter extremen Bedingungen.
– Abgleich dieser Matrix mit dem Stand der Technik (Berechnungsvorschriften aus dem VDI-Wärmeatlas)
– Erstellung der Berechnungsalgorithmen
– Design, Auslegung und Fertigung von Wärmeübertragern mit Hilfe dieser Berechnungsalgorithmen als Prototyp
– Durchführung einer Strömungssimulation anhand der CAD-Modelle der Prototypen
– Vermessung dieser Wärmeübertrager in einem Versuchsstand, Erstellung von Leistungskennfeldern
– Validierung der Berechnungsalgorithmen anhand der Messdaten und den Ergebnissen aus der Strömungssimulation
– Optimierung der Berechnungsalgorithmen und Neuberechnung der Wärmeübertragerauslegung
– Optimierung der Wärmeübertrager
Als typisches Beispiel wird an dieser Stelle die Versorgung von Wasserstofftankstellen aus einem Flüssigkeitsvorrat betrachtet. Dabei muss der siedende Wasserstoff (H₂) zunächst verdampft und anschließend verdichtet werden. Bisher wurde die dabei freiwerdende Kälte über einen Luftverdampfer an die Umgebung abgegeben. Mit Hilfe eines kryogenen Wärmeübertragers ist es jedoch möglich, diese Kälte zu nutzen, um Kohlendioxid (CO₂) zu verflüssigen oder sogar als Trockeneis abzuscheiden und somit anderen Prozessen zur Verfügung zu stellen. Der Wärmeübergang in einem solchen Wärmeübertrager ist zunächst stark instationär, bevor dieser in den stationären Zustand übergeht. Entsprechend des berechneten axialen Temperaturverlaufs im Wärmeübertrager nach 30 Minuten verdampft H₂ innerhalb der ersten 3 m und erwärmt sich im weiteren Verlauf auf −83 °C. Das CO₂ tritt im Gegenstrom bei einer Position von 20 m ein, kühlt zunächst auf die Siedetemperatur von −19,5 °C ab und ist knapp 2 m vor dem Rohrende vollständig kondensiert. Das flüssige CO₂ tritt mit −35 °C unterkühlt aus dem Wärmeübertrager aus. In diesem Abschnitt kommt es auch zur Bildung von festem CO₂‑Eis auf der Rohroberfläche, wie die hohe Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche außen und Rohrinnenwand zeigt. Ist kein Eis vorhanden, ist die Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche außen und Rohrinnenwand nahezu null, da das Rohr selbst eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Mit Hilfe des entwickelten Berechnungsalgorithmus und der errechneten Eisschichtdicke kann die Höhe der Strömungskanäle so dimensioniert werden, dass es trotz der Eisbildung am linken Ende des Wärmeübertragers nicht zu einer Blockade der Strömungskanäle kommt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Anwendungen von Wärmeübertragern für Mehrphasenfluide erfolgen in vielfältigen Bereichen der Kryo- und Kältetechnik bis hin zum Einsatz in Kombination mit Kryokühlern, wo sie der Kondensation von Gasen wie Helium oder Stickstoff dienen. Je nach Fluid sind als wesentliche Anwendungen Tieftemperatur-Kühlkammern, Gaszirkulationen mit kontinuierlich arbeitenden Kältemaschinen (Kryokühlern), Gasverflüssigung und Gasreinigung, Medizintechnik, Forschungsanlagen sowie die Nutzung von klassischen und Hochtemperatur-Supraleitern zu nennen.
Als Zielgruppen können Industrie und Forschungsinstitute genannt werden, die große Forschungsanlagen aufbauen und komplexe Kühlsysteme benötigen, die anspruchsvolle Wärmeübertrager beinhalten. Klassische Firmen der Kälte- und Klimatechnik können hier meist aufgrund der besonderen Herausforderung nicht anbieten. Als Zielgruppe können hier auch Großforschungsinstitute wie das CERN in Genf, das KIT in Karlsruhe und das GSI in Darmstadt genannt werden.
Folgende Leistungen konnten bereits unter Verwendung von Projektergebnissen in die Anwendung überführt werden:
– Für die GSI in Darmstadt wurden Kühlkanäle für Helium für die Kühlung eines supraleitenden Kabels berechnet und ausgelegt.
– Für das Institut für Holztechnik in Dresden wurde ein mehrstufiges, teilweise kryogenes Abgaskühlsystem realisiert.
– Für die Hochschule Technik und Wirtschaft in Dresden wurde ein Berechnungsalgorithmus für kryogene Wärmeübertrager entwickelt, in dem als Primärmedium flüssigen Wasserstoff aus einem Tank verdampft wird, um so Kohlendioxid als Sekundärmedium zu verflüssigen. In einem weiteren Schritt kann damit auch festes Kohlendioxid, also Trockeneis generiert werden.
– Für die Firma Messer SE & Co. KGaA wurde ebenfalls ein Berechnungsalgorithmus erstellt, in dem ein Sekundärfluid mittels einem kryogenen Primärfluid abgekühlt werden kann und dabei teilweise gefrieren kann.
– Für die Firma AtlasCopco wurden Wärmeübertragerplatten für einen Temperaturbereich zwischen -180 °C und +120 °C, entwickelt, ausgelegt, berechnet und hergestellt.
Die externe Projekt-Refinanzierung basiert im Wesentlichen auf zwei Positionen: Induzierte Umsätze nach Technologietransfer sowie- Induzierte Kosteneinsparungen. Die induzierten Umsätze resultieren dabei sowohl aus der Vermarktung von Wärmeübertragern, welche per Technologietransfer in Fertigung gegangen sind, als auch aus daraus resultierenden positiven Effekten in diesen Unternehmen, wie zusätzliche oder vorteilhafte Erzeugnisse auf Basis dieser Produkte. Letztere zeichnen sich beispielsweise durch den geringeren Verbrauch an kryogenen Kühlmitteln und somit durch eine höhere Energieeffizienz aus. Kosteneinsparungen sind bei Herstellern ebenso wie bei Anwendern zu erwarten. Beispielhaft kann hier die oben genannte Entwicklung des Abgaskühlers für das Institut für Holztechnik in Dresden genannt werden; ohne dessen Realisierung wäre der SBI-Versuchsstand für einen Großteil der geplanten Versuche nicht nutzbar.
Das ursprüngliche Verwertungskonzept hat sich als tragfähig erwiesen, wobei der Schwerpunkt verstärkt auf projektspezifischen Ingenieurleistungen liegt. Diese sind bereits zum gegenwärtigen Zeitpunkt mit gebundenen und teils schon bearbeiteten Aufträgen mit einem Wert in Höhe von etwa 400 T€ für verschiedenartige Einsatzfelder von Wärmeübertragern untersetzt. Dadurch kann auch eine Steigerung der Umsatzerwartungen begründet werden.
