Spiralrohr-Wärmetauscher für Kompressoren

Jim Lines, Graham Corporation

Eine jahrzehntealte Technologie erlebt eine Renaissance. Die Energiewende, der verstärkte Einsatz von Glasfaserkabeln und die zunehmende Verwendung überkritischer Fluide haben diese Art von Wärmetauschern in den Vordergrund gerückt. Spiralrohr-Wärmetauscher zeichnen sich durch einzigartige Konstruktionsmerkmale aus, die sie für die hohen Betriebsdrücke prädestinieren, die beispielsweise bei Kompressionsanwendungen für Wasserstoff, Helium, Erdgas und Kohlendioxid auftreten.

Spiralrohrwärmetauscher waren von den 1960er- bis in die 1990er-Jahre ein fester Bestandteil der Industrie. Der Generationswechsel in der Wärmeübertragungs- und Kompressionsanlagenbranche führte jedoch dazu, dass die Vertrautheit mit dieser Technologie abnahm. Rohrbündelwärmetauscher sind aufgrund ihrer breiten Anwendung in der Industrie heute bekannter. Spiralrohrwärmetauscher sind jedoch die bessere Wahl für bestimmte Anwendungen mit hohem Betriebsdruck, beispielsweise über 100 bar (1450 psi), wenn ein Temperaturübergang erwünscht ist, insbesondere wenn das Heißgas unter die Austrittstemperatur des Kaltfluids gekühlt werden muss oder wenn Pulsationen zu erwarten sind, wie es beispielsweise bei Verdrängerkompressoren der Fall sein kann.

Spiralrohr-Wärmetauscher werden als Zwischen- und Endstufenkühler in Kompressoren eingesetzt. Sie sind entscheidend für die Verbesserung der Kompressoreffizienz und -zuverlässigkeit, da sie die Kompressionswärme abführen und die Zwischenstufentemperatur sowie den Volumenstrom senken. Dadurch wird die Betriebstemperatur im gewünschten Bereich gehalten, was einen ordnungsgemäßen Kompressorbetrieb und eine lange Lebensdauer gewährleistet.

Die ersten Anwendungen von Spiralrohrkühlern zur Zwischenstufenkühlung von Kompressoren Anfang der 1950er-Jahre betrafen die Kompression von Kohlendioxid für die Getränkeindustrie oder allgemeine Luftkompressoren. Mit dem Wachstum der Getränkeindustrie und der allgemeinen Luftkompressorenindustrie stieg die Nachfrage nach kompakten, hocheffizienten Zwischen- und Nachstufenkühlern. In den 1960er-Jahren wurden Spiralrohrkühler für die Zwischen- und Endstufenkühlung von Kompressoren auch zur Kompression von Wasserstoff und Helium eingesetzt. Sie werden auch heute noch in solchen Anwendungen verwendet, während neue Märkte und Anwendungsgebiete die Nachfrage nach Spiralrohrkühlern für Kompressionsstufen erneut ankurbelten. Wasserstofftankstellen, virtuelle Pipelines und überkritisches Kohlendioxid sind neuere Anwendungsbereiche, in denen die Nachfrage nach dieser Art von Wärmetauschern gestiegen ist.

Abbildung 1: Fünfstufiger Luftkompressor aus dem Jahr 1971 (Spiralrohr-Wärmetauscher in einer Reihe im oberen Bereich des Gestells) und 2017 (Spiralrohr-Wärmetauscher oben auf dem Gestell in Blau)

Es ist wichtig, die Kompressorenindustrie wieder mit Spiralrohr-Wärmetauschern vertraut zu machen, damit deren einzigartige Konstruktionsmerkmale und Leistungsvorteile für die heutigen Anforderungen an Kompressor-Zwischen- und Nachkühler breiter berücksichtigt werden können.

Spiralrohr-Wärmetauscher

Ein Spiralrohrwärmetauscher besteht aus mehreren übereinander gestapelten und spiralförmig gewickelten Rohren. Die Rohre sind an beiden Enden mit Verteilerrohren oder Leitungen verschweißt, verlötet oder hartgelötet, durch die das Fluid in die Spirale ein- und austreten kann. In der Wärmetauscherterminologie wird dieser Bereich als Rohrseite bezeichnet. Die Spirale befindet sich in einem Gehäuse, dessen Grundplatte für eine dichte Abdichtung sorgt und die Mantelseite bildet. Hier kann das Fluid eintreten, entlang eines nach außen offenen Kanals fließen und den Wärmetauscher verlassen. Bei Ladeluft- oder Nachkühlerbetrieb befindet sich auf der Rohrseite das Gas oder überkritische Fluid, während sich auf der Mantelseite das Kühlmittel, typischerweise Wasser, befindet.

Eine solche Konfiguration bietet eine Reihe von Vorteilen.

• Einfache Integration: Die geraden Rohre, die 9 Meter oder länger sein können, werden aufgewickelt, wodurch der Platzbedarf im Vergleich zu einem entsprechenden Rohrbündelwärmetauscher deutlich geringer ist. Diese Eigenschaft ist ideal für die Integration des Wärmetauschers in ein Kompaktsystem. Beispielsweise benötigt ein Spiralrohrwärmetauscher mit einer Wärmetauscherfläche von 35 m² und einem Betriebsdruck von 207 bar ein Volumen von 1,5 m x 1,2 m x 1,2 m. Ein Rohrbündelwärmetauscher mit hohem Druck auf der Rohrseite hingegen benötigt ein Volumen von 4,5 m x 0,9 m x 0,6 m. Die Rohrlänge von 4,5 m bei einem Rohrbündelwärmetauscher führt zu komplexeren Integrationsbedingungen und einem um ca. 3 m größeren Platzbedarf für das gesamte Kompaktsystem.
• Hochdruckfähigkeit: Die Spirale besteht aus zylindrischen Teilen, insbesondere Rohren und Verteilern, die hohen Betriebsdrücken standhalten. 5.000 psi (345 bar) sind üblich, und für Wasserstoffanwendungen sind Drücke von 10.000 psi (690 bar) wirtschaftlich realisierbar. Diese Eigenschaft ist ideal für überkritische Anwendungen mit hohem Betriebsdruck oder für Wasserstofftanksysteme. Spiralrohr-Wärmetauscher haben sich im praktischen Einsatz mit Wasserstoffbetrieb bewährt, wo ein maximal zulässiger Betriebsdruck von 15.000 psi (1034 bar) zulässig ist.
• Geeignet für pulsierende Strömungen: Kompressoren in Hochdruckanwendungen sind Verdrängermaschinen, wodurch die Strömung pulsieren kann. Spiralrohrwärmetauscher sind mit Reibscheiben ausgestattet, um Erosion durch Metall-auf-Metall-Kontakt zu verhindern.
• Maximale LMTD: Die Strömungsrichtung zwischen den Fluiden auf der Heiß- und Kaltseite ist vollständig gegenläufig, wodurch die bei Mehrfachdurchlauf-Rohrbündelwärmeübertragern üblichen LMTD-Korrekturfaktoren entfallen. Diese Eigenschaft ist ideal, wenn ein Temperaturübergang erforderlich ist, insbesondere wenn die Heißseite unter die Austrittstemperatur des Fluids auf der Kaltseite abgekühlt wird.
• Strömungsweg: Der gekrümmte Strömungsweg eines Spiralrohrs (Abbildung 3) verbessert die Effizienz des Wärmetauschers im Vergleich zu einem geraden Rohr eines Rohrbündelwärmetauschers.

Herausnehmbares Bündel: Bei den meisten gängigen Geometrien ist das Gehäuse bzw. die Mantelseite zur Reinigung oder Entfernung von Ablagerungen zugänglich. Auch die Spule kann entnommen und problemlos ausgetauscht werden.

Die Werkstoffe für Spiralrohrwärmetauscher sind vergleichbar mit denen von Rohrbündelwärmetauschern. Dazu gehören Edelstahl, Duplexstahl, Kupfer, Kupfer-Nickel, Titan, Hastelloy®, Inconel® und Incoloy®. Die Gehäuse bestehen üblicherweise aus Gusseisen, Stahlguss, Stahlblech oder Edelstahl. Prinzipiell kann jedoch jedes kaltverformbare (gewalzte) und schweißbare Material für das Gehäuse oder die Mantelseite eines Spiralrohrwärmetauschers verwendet werden.

Extrem hoher Druck

Wasserstoffkompressionssysteme, insbesondere für Brennstoffzellenanwendungen in Elektrofahrzeugen, komprimieren Wasserstoff auf extrem hohe Drücke. Für die Betankung von Pkw sind Drücke von 700 bar (10.000 psi) üblich, für Lkw und den öffentlichen Nahverkehr 350 bar (5.000 psi). Die mechanische Auslegung von Wärmetauschern für solch hohe Drücke stellt eine Herausforderung für jeden Wärmetauschertyp dar. Spiralrohrwärmetauscher verfügen über überkritischen Wasserstoff, der durch die Rohre strömt. Die Rohre und Verteiler sind zylindrisch geformt und halten hohen Betriebsdrücken stand, ohne dass die extremen Wandstärken von Rohrbündelwärmetauschern mit flachen Oberflächen wie Rohrböden erforderlich sind.

Abbildung 4 zeigt einen Spiralrohr-Nachkühler für einen Wasserstoffmembrankompressor mit den Abmessungen 15 Zoll Breite x 17 Zoll Höhe x 8 Zoll Dicke, der 80.000 Btu/h Kompressionswärme abführt, wobei das Wasserstoffgas nach der Kompression von 400 °F auf 120 °F abgekühlt wird. Die kompakte Bauweise und der effiziente Wärmeaustausch ermöglichten eine einfache Integration in das Kompressorpaket.

Zu den wichtigsten Merkmalen gehört ein effizienter Wärmetauscher ohne hohen Druckverlust auf der Wasserstoffseite. Aufgrund des gekrümmten Strömungswegs wird der Wärmeübergangskoeffizient des Wasserstoffs durch Turbulenzen, Vermischung und die dünne Grenzschicht, die durch den spiralförmigen Strömungsweg entsteht, erhöht.

Membrankompressoranlage mit drei (3) Spiralrohr-Wärmetauschern zur Wärmeabfuhr, mit freundlicher Genehmigung von Neuman & Esser Americas

Eine Analyse der Anwendungen von Spiralrohrkompressoren zur Wärmeabfuhr in den letzten fünf Jahren verdeutlicht, wie dieser vielseitige Wärmetauscher weiterhin in der Kompressorenindustrie eingesetzt wird und welche Bedeutung die Wasserstoffkompression heute im Vergleich zu vor 20 Jahren hat. Im Unternehmen des Autors ist die Wasserstoffkompression heute am weitesten verbreitet, gefolgt von der Luftkompression. Vor 20 Jahren spielte die Wasserstoffkompression noch keine so zentrale Rolle. Wasserstoffkompressionssysteme arbeiten in der Regel mit sehr hohen Austrittsdrücken in der Endstufe, für die Spiralrohrwärmetauscher optimal geeignet sind.

Wasserstoffkompression wird hauptsächlich im Transportwesen eingesetzt. Luftkompression findet Anwendung in der allgemeinen Industrie. Heliumkompression wird in der Medizintechnik, als Schutzgas beim Schweißen, in der Glasfaserproduktion und in der Halbleiterfertigung verwendet. Methankompression dient der alternativen Kraftstoffversorgung im Transportwesen oder in virtuellen Pipelines. Kohlendioxidkompression wird in der Getränke- und Pflanzenölindustrie eingesetzt.

Spiralrohr-Wärmetauscher blicken auf über acht Jahrzehnte bewährte Leistungsfähigkeit in der Kompressorenindustrie zurück. Zu den Hauptfaktoren für diesen langjährigen Erfolg zählen:

• Kompaktheit und einfache Integration in das Kompressorpaket
• Kosteneffizienz bei hohen Betriebsdrücken, Druck über 1500 psig (100 barg)
• Konstruktion geeignet für Verdrängermaschinen
• Verbesserte thermische Effizienz im Vergleich zu Doppelrohr-Rohrbündelwärmetauschern
• Geringer Wartungsaufwand und hohe Langlebigkeit/Zuverlässigkeit.
• Spiralrohr-Wärmetauscher finden in der gesamten Hochdruckkompressionsindustrie Anwendung. Nicht nur für die bereits genannten Anwendungen, sondern auch für …
• Stickstoffkompression zur verbesserten Ölgewinnung
• Kohlendioxidkompression für Cannabisanwendungen
• Luftkompression für die geophysikalische seismische Erdölexploration

Dieser Wärmetauschertyp eignet sich unabhängig vom Druck für die Zwischen- und Nachkühlung von Kompressionsmaschinen. Er ist gut für die Integration in geschlossene Systeme geeignet und hat sich in der Kompressionsmaschinenindustrie seit Langem bewährt.