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Nachkühler / Wärmetauscher in der pneumatischen Förderung

Kühl-Wärmetauscher am Gebläseausgang

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Zusammenfassung des Abschnitts
1. Welchem Zweck dient ein Nachkühler?
2. Was ist ein Nachkühler nach einem Gebläse?
3. Arten von Nachkühlern
4. Wichtige Auslegungsüberlegungen

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1. Welchem Zweck dient ein Nachkühler?

Gebläse werden typischerweise als Luftförderer in pneumatischen Fördersystemen eingesetzt. Solche Gebläse sind Verdichter, die Luft bei einem bestimmten Druck (meist atmosphärisch) ansaugen und sie bei höheren Drücken abgeben. Während der Verdichtung wird ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt, sodass die Luft am Gebläseausgang deutlich heißer ist als unter Ansaugbedingungen. Die Temperaturen können 50–60 °C erreichen, manchmal sogar deutlich höher, was für nachgelagerte Prozesse problematisch sein kann. Beispielsweise müssen Sternradschleusen für den Betrieb unter heißen Bedingungen ausgelegt sein, was ihre Leistung beeinträchtigen kann, oder das geförderte Material verträgt solche Temperaturen möglicherweise nicht, was beispielsweise zu Schmelzvorgängen führen kann.

2. Was ist ein Nachkühler an einem Kompressor oder Gebläse?

In solchen Fällen ist es wünschenswert, den Luftstrom mithilfe eines Wärmetauschers abzukühlen, der direkt nach dem Gebläse positioniert ist – dieser wird als Nachkühler bezeichnet.

3. Arten von Nachkühlern

Nachkühler sind im Grunde Wärmetauscher und können entweder ein flüssiges Kühlmedium oder einfach Luft verwenden.

Nachkühler mit flüssigem Kühlmedium

Solche Nachkühler werden in der Regel mit Wasser (gekühlt oder gekühlt) betrieben. Dies ist eine effiziente Bauweise zur Temperaturregelung, weist jedoch Nachteile auf und muss sorgfältig gesteuert werden:

• Kaltes Wasser kann im oder außerhalb des Nachkühlers zu Kondensation führen, was schwerwiegende Folgen haben kann (wenn Wasser in die Rohrleitung gelangt, kann dies zu Verstopfungen und anderen Problemen führen).
• Bei Undichtigkeiten des Wärmetauschers gelangt Wasser in die Prozessrohre.
• Die Prozessregelung muss präzise sein, um eine gute Temperaturkontrolle zu gewährleisten.

Die einfachste Bauform eines Wärmetauschers mit flüssigem Kühlmedium ist ein Rohrbündel-Wärmetauscher. Bei dieser Bauart sind viele Rohre in einem Mantel eingeschlossen. Die Förderluft strömt durch die Rohre, während das Kühlmedium (meist Wasser) sich auf der Mantelseite befindet. Ein Nachteil dieser Bauweise ist, dass der Wärmetauscher recht groß sein muss, um eine definierte Kühlleistung zu erreichen, da der Wärmeübergang auf der Luftseite relativ gering ist.

Abbildung 1: Prinzip eines Rohrbündel-Wärmetauschers

Eine alternative Bauform besteht darin, berippte Rohre zu verwenden, um die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern und so dieselbe Kühlleistung wie ein Rohrbündel-Wärmetauscher, jedoch in einem deutlich kleineren Volumen, zu erzielen. Bei diesem Tauschertyp sind die Rohre mit Rippen ausgestattet, und die Position von Luft und Kühlmedium ist umgekehrt: Die Luft strömt durch den Mantel und kommt mit den Rippen in Kontakt, während das Kühlmedium (meist Wasser) sich innerhalb der Rohre befindet. Zu beachten ist, dass der Druckverlust über den Wärmetauscher überwacht werden muss, da Rippen anfällig für Verschmutzung sein können.

Abbildung 2: Prinzip eines oberflächenvergrößerten Wärmetauschers

Luftnachkühler

Hier ist das Kühlmedium einfach Luft. Der Nachkühler ist mit einem Ventilator ausgestattet, der Luft durch den Wärmetauscher zwingt. Das Innere des Wärmetauschers besteht aus Aluminium, das auf beiden Seiten berippt ist, um eine große Wärmeaustauschfläche in einem relativ kleinen Volumen zu ermöglichen. Dies vermeidet die zuvor genannten Nachteile in Bezug auf Leckagerisiken, bietet jedoch im Gegenzug eine weniger effiziente Kühlung, die von den Umgebungsbedingungen abhängt. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, das Gebläse und den Nachkühler in einem klimatisierten Raum aufzustellen, um konstante Kühlluftbedingungen zu gewährleisten.

Abbildung 3: Prinzip eines luftgekühlten Zwangsluft-Wärmetauschers für pneumatische Förderung

4. Wichtige Auslegungsüberlegungen

Damit Nachkühler effizient arbeiten, bestehen sie aus kleinen, berippten Rohren, die die Wärmeaustauschfläche vergrößern. Solche Rohre können jedoch mit der Zeit verschmutzen, insbesondere wenn die Luftzufuhr nicht sehr sauber ist oder Rückströmungen aus der Leitung auftreten. Daher ist es für die Sicherheit entscheidend, über die richtige Instrumentierung zu verfügen, um die Leistung des Kühlers zu überwachen:

• Druckverlust über den Wärmetauscher: Das System muss angehalten und gereinigt werden, um Ablagerungen zu entfernen, wenn der Druckverlust seinen Maximalwert erreicht.
• Temperatur vor und nach dem Wärmetauscher, um die Kühleffizienz zu überprüfen und die Kühlung zu regeln.

Zu beachten ist, dass ein Nachkühler einen zusätzlichen Druckverlust verursacht, der bei der Auslegung der pneumatischen Förderleitung berücksichtigt werden muss.

Auch der Einbau eines Rückschlagventils, um Rückströmungen in den Wärmetauscher zu verhindern, sollte in Betracht gezogen werden.

Eine weitere wichtige Auslegungsüberlegung ist das Risiko von Kondensation, wenn die Luft im Wärmetauscher abgekühlt wird. Der planende Ingenieur muss sicherstellen, dass die Temperatur im Wärmetauscher nicht unter den Taupunkt der Luft fällt. Falls dies der Fall ist, muss die Luft entfeuchtet werden. Dies kann durch die Zufuhr von klimatisierter Luft zum Gebläse oder durch zwei in Reihe geschaltete Wärmetauscher erreicht werden: Der erste kühlt die Luft ab und scheidet das Kondenswasser aus, während der zweite die getrocknete, aber gesättigte Luft erwärmt, um die relative Luftfeuchtigkeit zu senken und den Taupunkt zu reduzieren.