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Projektbeispiel: Berechnungsmodelle für Wärmetauscher

Entwicklung von Berechnungsmodellen für Wärmetauscher in Anwendungen mit starker Staubbeladung

Grosse Abwärmemengen liegen in der Industrie als stark staubbeladene Abgasströme vor. Bei der Auskopplung dieser Energie werden hohe Anforderungen an die Wärmetauscher-Systeme gestellt. Staub lagert sich an der Übertragerfläche ab und wirkt so als isolierende Schicht, welche die Wärmeleistung stark vermindert (Fouling). Folglich werden die Wärmetauscher mit hohen Sicherheitszulagen, in Form von zusätzlicher Übertragungsfläche ausgelegt, was mit erhöhten Investitionskosten verbunden ist. In diesem Projekt wird der Pre-Heater Wärmetauscher der ORC-Anlage (ABB) des Zementwerks in Untervaz (Holcim) hinsichtlich Fouling untersucht.

Abbildung der ORC-Anlage Untervaz mit dem Pre-Heater Wärmetauscher.
ORC-Anlage Untervaz mit dem Pre-Heater Wärmetauscher links im Bild.

Umsetzung und Ergebnisse

Mit dem Pre-Heater Wärmetauscher in Untervaz wird eine Wärmeleistung von ca. 10 MW aus dem stark staubbeladenen (ca. 100 g/Nm3) Abgas ausgekoppelt. Dabei ist der Einfluss der Staubablagerungen für den Wärmeübergang zentral (Vergl. Abb. 2). Mit Hilfe von thermodynamischen Modellen wurde der Einfluss des Foulings auf den globalen Wärmeübergangskoeffizient oder k-Wert untersucht.

Auf der Grundlage von Messdaten wurden die Modelle unter Berücksichtigung einer homogenen Staubschicht auf den Übertragerrohren validiert. Die Validierung erfolgte über die Austrittstemperaturen der Stoffströme sowie über die thermische Leistung. Das Ergebnis liefert gute Übereinstimmungen zwischen Modell und Messung mit relativen Abweichungen von 2%. Der resultierende k-Wert liegt tiefer als bei der Auslegung angenommen (Vergl. Abb. 3).

Staubablagerungen auf den Übertragerrohren im Wärmetauscher.
Abb. 2: Staubablagerungen auf den Übertragerrohren im Wärmetauscher.
Grafik zum Globalen Wärmeübergangskoeffizient oder k-Wert.
Abb. 3: Globaler Wärmeübergangskoeffizient oder k-Wert.

Auf einen Blick

Beteiligte Institute und Zentren:

Projektpartner:

    Projektstatus: beendet