Einführung
Wesentliche Betriebskosten eines Rührwerkapparates (RWA) resultieren aus der Energiebereitstellung für den Antrieb sowie der Förderung und Temperierung des Servicemediums. Folgend werden zu den genannten Themen Einflussgrößen und deren Auswirkungen beleuchtet und abschließend beispielhaft dargestellt. Als Systemgrenze der Betrachtungen dienen die Ein- und Auslassstutzen des Doppelmantels (DM) bzw. der Halbrohrschlange (HRS) sowie des RWA selbst. Die Betrachtungen gelten für flüssige Servicemedien. Die konservative Betrachtung vernachlässigt das Rohrleitungssystem und somit die einhergehenden Druckverluste in den Rohren, Bögen, Ventilen etc. oder auch die Druckbereitstellung zur Überwindung von Höhenunterschieden innerhalb einer Anlage. Für eine ganzheitliche und individuelle Betrachtung empfiehlt der VDI Wärmeatlas die Berücksichtigung des Rohrleitungssystems [1].
Betriebskosten eines Rührwerksapparates
Betriebskosten des Rührsystems
Werden die Betriebskosten des Antriebssystems eines RWA betrachtet, bedingen die Stromkosten und somit der Leistungsaufwand des Elektromotors die Hauptkosten. Der Leistungsbedarf ist wiederum abhängig von den Stoffeigenschaften des im Apparat verarbeiteten Produktes und der Rührtechnik.
P=Ne∙ρ∙N^3∙d_R^5
P… Wellenleistung
Ne… Newton-Zahl
ρ… Produktdichte
N… Rührerdrehzahl
dR… Rührerdurchmesser
Wird ein Betrieb im turbulenten Bereich vorausgesetzt, weist die Produktdichte einen linearen Einfluss auf die notwendige Leistung des Antriebes auf. Die Viskosität ist vernachlässigbar und nur im laminaren Bereich relevant. Daneben bedingen die Rührerdrehzahl und vor allem der Rührerdurchmesser einen wesentlichen Einfluss auf den Leistungsbedarf, da diese zur 3 ten bzw. 5 ten Potenz einfließen!
Alle weiteren Aspekte, wie die Turbinengeometrie und -anzahl sowie die Stromstörerart und -anzahl sowie der Bodenabstand werden durch die dimensionslose Newtonzahl abgebildet, welche experimentell oder mit Hilfe von CFD (Computerized Fluid Dynamics) ermittelt werden kann. Hier kann auf das Knowhow von THALETEC zurückgegriffen werden und Kenndaten, wie der Leistungsbedarf, das Wellendrehmoment, der spezifische Leistungseintrag oder auch die kritische Suspendierdrehzahl sowie die Umwälzleistung und -zeit, der kundenspezifischen Rührtechnik ermittelt bzw. berechnet werden.
THALETEC bietet eine Vielzahl von Rührorganen (Turbinen) an, um individuelle Prozessbedingungen zu realisieren. Das Angebot deckt das gesamte Spektrum von niedriger (kleiner Leistungseintrag, geringe Schwerwirkung) bis hoher Newtonzahl (hoher Leistungseintrag, hohe Schwerwirkung) ab.
Betriebskosten beim Beheizen oder Kühlen des Behälterinhaltes
Für das Beheizen oder Kühlen muss ein Servicemedium durch den Doppelmantel (DM) oder die Halbrohrschlange (HRS) gefördert werden. Zur Bereitstellung des Servicemediums sind in Abhängigkeit der Apparategröße teils enorme Volumenströme (> 200 m³/h) bei möglichst geringen Druckverlust (p < 6 bar) von Industrie-/Chemiepumpen zu fördern.
Grundsätzlich weist der DM gegenüber der HRS einen größeren Volumenstrombedarf bei einem kleineren Druckverlust auf. Häufig wird Wasser (teils als Gylkolmischung) als Servicemedium verwendet, welches je nach Prozess temperiert (gekühlt oder erhitzt bis verdampft) werden muss. Allein für das Erwärmen von bspw. 20 m³ Wasser von 20 auf 80 °C beträgt die notwendige Wärmemenge ca. 1.400 kWh!
Zum Betreiben eines DM, HRS werden obere und untere Grenzwerte hinsichtlich der vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten empfohlen, um einerseits Verschmutzungen sowie Ablagerungen zu vermeiden und andererseits keine allzu hohen zu hohen Druckverluste zu erzeugen. Dazwischen besteht jedoch ein großer Spielraum, um die Betriebskosten bei annährend gleicher Kühl- bzw. Heizleistung zu optimieren.
Berechnung der Betriebskosten
Zur Beurteilung der angesprochenen Betriebskosten verfügt THALETEC die notwendigen Tools und Berechnungsprogramme. Damit können quantitative Aussagen zu den verschiedenen Aspekten getroffen werden. Da eine starke Abhängigkeit der Ergebnisse von Stoffgrößen und der angewendeten Apparatetechnik gegeben ist, sind individuelle Berechnungen jeweils unumgänglich.
Abbildung 4a und 4b: Notwendige Pumpleistungen zur Erzeugung des Wärmestromes am DM eines BE2500 und BE32000 sowie grünmarkiert die empfohlenen Betriebsbereiche
Oben gezeigte Beispiele zu einem BE2500 (CXU-Turbine) und BE32000 (CXU/TAF-Turbinen) mit jeweils einem Doppelmantel sollen die Möglichkeiten und Dimensionen veranschaulichen (Abbildung 4). Dabei wird der gleiche Prozess des Abkühlens von Wasser (80 auf 50 °C) im Produktraum mit Hilfe von Kühlwasser (20 °C) als Servicemedium bei einer Rührerdrehzahl von 75 min-1 betrachtet.
In der Abbildung 4 sind die erforderliche zu installierende Pumpenleistung für das Fördern des Servicemediums (linke Achse) und der maximal erreichbare Wärmestrom zwischen Doppelmantel und Produkt über dem zu fördernden Volumenstrom der Pumpe aufgetragen.
Aus dieser bespielhaften Berechnung geht deutlich hervor, dass große Spielräume und einhergehende Optimierungspotenziale mit Blick auf die notwendige Pumpleistung für das Servicemedium bestehen. Werden der obere und untere Grenzwert des empfohlenen Betriebsbereiches verglichen, tritt ist ein Faktor von mindestens 10 bezüglich der Pumpleistung auf, obwohl die max. Kühlleistung nur einen Unterschied von rd. 27-28 % aufweist!
Neben der Optimierung der Wärmeträger bzw. Serviceseite kann natürlich auch die Rührtechnik optimiert werden. Hier sind jedoch neben dem Energiebedarf insbesondere die verfahrenstechnischen Anforderungen der Rühraufgabe maßgeblich.
THALETEC bietet Ihnen die Berechnung und Beurteilung der aufgeführten Aspekte zu den Betriebskosten an (process(at)thaletec.com).
Ein Blick in die Zukunft
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