Projekt 22087/01

Entwicklung eines Wärmetauschers für kleinvolumige Lacktrockenschränke

Projektdurchführung

ELIOG-kelvitherm Industrieofenbau GmbH
Käthe-Kollwitz-Str. 10
98631 Römhild

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In der Lackier- in Kunststofftechnik gehen heute sehr große Energiemengen verloren. Beispielsweise wird bei Trockenschränken bzw. Trocknungsöfen die heiße Trocknungsluft direkt abgeführt, da sie durch die beim Trockenvorgang freigesetzten flüchtigen Stoffe kontaminiert ist. Das Ziel des Vorhabens ist, diese Wärmeverluste durch die Integration von kleinen Wärmetauschern in den Prozess zu vermeiden. Der Wärmetauscher entzieht der heißen Abluft die Restwärme, die dann als Prozesswärme zur Verfü-gung steht.
Bei großvolumigen Prozesstechniken werden heute entsprechende Wärmetauscher zur Wärmerückge-winnung bereits erfolgreich eingesetzt. Für klein- bis mittelvolumige Chargen jedoch verhindert bisher der sehr hohe Wartungsaufwand für die Wärmetauscher einen erfolgreichen Einsatz. Konventionelle Wärmetauscher, die von einer mit chemisch aggressiven oder reaktiven Partikeln beladenen Warmluft durchströmt werden, versotten häufig und müssen üblicherweise schon nach einigen Tagen aufwendig gereinigt werden. Das Vorhaben hat zum Ziel, einen Wärmetauscher für klein- bis mittelvolumige Tro-ckenschränke zu entwickeln, der für den Langzeitbetrieb geeignet ist. Die Anforderungen an diesen neuartigen Wärmetauscher sind, dass er im Idealfall wartungsfrei arbeitet oder zumindest mit geringem Aufwand in Abständen von ca. 6 Monaten zu reinigen ist. Basierend auf den physikalischen Grundlagen von turbulenten Partikelgrenzschichtströmungen werden strömungstechnische, konstruktive und werk-stofftechnische Maßnahmen untersucht, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Des weiteren werden numerische Simulationsrechnungen mit dem CFDTool FLUENT und Experimente mittels einer Testanlage durchgeführt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeitsschritte können wie folgt unterteilt werden:
- Problemanalyse, Untersuchung existierender Ergebnisse und Lösungen, Literaturrecherche und Festlegung eines Arbeitsplans
- Herausfinden der regelnden physikalischen und mathematischen Hintergründe der Ablagerung der Lack-Lösemittel-Mischung in einem Platten-Luft-Luft-Wärmetauscher
- Festlegung der wirkenden Strömungsparameter zur Verringerung der Ablagerung
- Festlegung realisierbare Lösungswege
- Durchführung der numerischen Simulationen zur Feststellung der Auswirkung der Verwendung verschiedener Austauschoberflächenprofile
- Auswertung der Ergebnisse der numerischen Simulationen und Diskussion
- Erweiterung der Ergebnisse der numerischen Simulationen
- Festlegung der notwendigen Experimente und Erstellung eines Experimenteplans in Abhängigkeit von den untersuchten Parametern
- Konzipierung, Konstruktion, Fertigung, Zusammenbau, Programmierung der Steuerung und Inbetriebnahme einer Testanlage
- Durchführung des Experimenteplans
- Auswertung der Ergebnisse der Experimente und Diskussion
- Auswertung der gesamten Ergebnisse
- Festlegung eines Konstruktionskonzept eines Prototyps
- Konstruktion, Fertigung, Testen und Einsatz eines geeigneten Stempels zur Deformierung der Aus-tauschplatten
- Konstruktion, Zusammenbau und Testen des Prototyps unter Betriebsbedingungen
- Verbesserung des Prototyps mit Hilfe der gewonnenen Kenntnisse der Testphase des Prototyps
- Serienproduktion


Ergebnisse und Diskussion

Durch die Erhöhung der Schubspannung an den Wärmeaustauschoberflächen ist es nachweislich möglich die Ablagerungsquote der Lack-Lösemittel-Mischung in einem Platten-Luft-Luft-Wärmetauscher zu verringern.
Gleichzeitig muss der Turbulenzgrad der Strömung bestimmte Grenzen nicht übersteigern, damit die Ablagerungsrate nicht massiv steigt.
Die Erhöhung der Schubspannung wird durch zwei Methoden durchgesetzt:
- Verwendung von bestimmten schubspannungserregenden Oberflächen: eine Wellenreihe mit einem halbkreisförmigen Profil, die einviertel der Spalthöhe hoch ist und ein Wellenanstand von zweieinhalb der Spalthöhe hat, erzeugt genügend Schubspannung, ohne den Turbulenzgrad massiv zu erhöhen und ohne dass die Druckverluste stark steigen
- Erhöhung der Reynolds-Zahl der Strömung: eine Reynolds-Zahl in dem Bereich 4000 - 500 lässt die Ablagerungsquote stark sinken, ohne dass die Druckverluste stark steigen
Diese Methoden werden zusammen in einem Prototyp integriert und getestet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Zaki Hussien, Entwicklung eines Wärmetauschers für Lacktrockenanlage, Fachgebietskolloquium Thermo und Magnetofluiddynamik, TU Ilmenau, 03.02.2005
- Zaki Hussien, Christian Karcher, Entwicklung eines Wärmetauschers für Lacktrockenöfen, Internati-onales Wissenschaftliches Kolloquium, TU Ilmenau 19.-23.09.2005
- Zaki Wimmer, Christian Karcher, Die Ablagerung von Lack-Lösemittel-Mischung in einem Luftspalt zwischen zwei Platten, CIT- Chemie Ingenieur Technik Journal, 3.2009 (noch nicht zugesagt)
- Zaki Wimmer, Die Ablagerung von Lack-Lösemittel-Mischung in einem Platten-Luft-Luft-Wärmetauscher, Vortrag in BCI Fakultät, Strömungsmechanikinstitut, 13.5.2009
- Zaki Wimmer, Christian Karcher, Die Ablagerung von Lack-Lösemittel-Mischung in einem Platten-Luft-Luft-Wärmetauscher, Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, TU Ilmenau 07. 11.9.2009


Fazit

Durch die Erhöhung des Turbulenzgrads in den Strömungskanälen des Wärmetauschers und durch die Verwendung von speziellen Beschichtungsmaterialien können die Abstoßkräfte zwischen Wand und Partikeln verstärkt werden. Dadurch kann das Verkrusten der Wärmetauscheroberflächen durch Abscheidung von Schmutz- und Schadstoffpartikeln deutlich verringert werden. Zur Verifikation dieser theoretischen Ergebnisse wird ein entsprechendes Modellexperiment geplant. Die Messergebnisse können direkt mit den theoretischen Vorhersagen der Problemanalyse und den numerischen Rechnungen ver-glichen werden. Ein weiteres Ziel dabei ist, verschiedenartige Beschichtungsmaterialen und Maßnahmen zur Turbulenzgenerierung zu testen und optimal einsetzen zu können.