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Neuartige Rohre zur Optimierung der Wärmeübertragung in Energieerzeugungskesseln

In vielen Ländern finden Braunkohlekraftwerkskessel verbreitet Einsatz bei der Energieerzeugung. Die Ablagerung von Aschepartikeln an der Oberfläche der Wärmetauscherrohre führt zu einer erheblichen Senkung des Wirkungsgrades und erhöht die Betriebs- und Instandhaltungskosten. Dieser Prozess, auch als Fouling bekannt, lässt sich wesentlich eindämmen, wenn innovative Rohrbündel eingesetzt werden, die von einem Konsortium europäischer Universitäten und Unternehmen entwickelt und getestet wurden.

Industrielle Technologien

Braunkohlekraftwerkskessel verbrennen, wie der Name schon sagt, Braunkohle in erster Linie zur Erzeugung von Strom, aber auch zur Wärme- und/oder Kälteerzeugung. Für diese Kessel ist das Wärmeübertragungssystem von entscheidender Bedeutung, um überschüssige Wärme aus dem System abzuleiten. Die für den Wärmetauscher eingesetzten Rohre zerfallen schnell auf Grund von Fouling. Mit einfachen Worten ausgedrückt, ist Fouling die Ablagerung von Aschepartikeln aus der Verbrennung von Braunkohle an den Wärmetauscherflächen. Die Eindämmung des Fouling an den Rohrflächen war Gegenstand des vorliegenden Forschungsprojektes. Diese Eindämmung wurde mit sofortigen und überaus bedeutenden Folgen erreicht. Die Gesamtleistung der Kessel erhöht sich um 90%, wenn die Wärmeübertragung 25% der Foulingrate und 60% des Druckabfalls ausmacht. Diese Prozentangaben basieren auf der Standardkonfiguration der für die Stromerzeugung in Griechenland eingesetzten Kessel. Den Projektpartnern ist es durch den Einsatz asymmetrischer Rohranordnungen und/oder nicht runder Rohre gelungen, eine wesentliche Senkung der Foulingrate zu erzielen. Dieses Rohrbündeldesign mit der Bezeichnung DDEFORM wurde numerisch und experimentell getestet und wird patentrechtlich geschützt. Die entwickelte Rohranordnung beschränkt sich nicht auf Kraftwerkskessel, sondern lässt sich auch in zur Kälteerzeugung eingesetzten Wärmetauschern verwenden, wie z.B. bei Kfz-Kühlern. Im Allgemeinen lässt sich die vorgeschlagene Anordnung immer dann anwenden, wenn Foulingbedingungen auftreten können oder der Druckabfall einen wichtigen Betriebsfaktor darstellt. Während des gesamten Projektes haben die Partner zahlreiche numerische und experimentelle Untersuchungen zur Eindämmung des Fouling angestellt und neue Foulingtests entwickelt. Oberstromstörung, asymmetrische Anordnung und nicht runde Rohre wurden auf die Optimierung des Leistungsgrads der Rohrbündel hin untersucht. Es wurde ein Versuchskreislauf für den Einsatz bei industriellen Wärmetauschern aufgebaut. Der Kreislauf wurde zur Messung der Partikelablagerung an zylindrischen Inline-Rohrbündeln sowie an erweiterten Inline-Rohrbündeln verwendet. Die entwickelte Methodologie ermöglicht eine eingehende Prüfung von Wärmetauschern und Filtern unter Foulingbedingungen, sodass Hersteller die beste Anordnung der neu geformten Rohre einsetzen können, um das Fouling einzudämmen. Neben der Stromerzeugungsbranche, die in hohem Maße von den Ergebnissen dieses Projektes profitieren wird, gibt es eine ganze Reihe weiterer möglicher Anwendungsbereiche. In der Automobilindustrie für Motorenkühler, in der chemischen Industrie, wo Wärmetauscher oftmals unter immensen Foulingbedingungen arbeiten, und schließlich bei den Filterherstellern, die die erworbenen Kenntnisse für die entgegengesetzte Problemstellung nutzen können, der sie sich gegenüber sehen, nämlich der des Auffangens von Partikeln.

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