Technische Hilfe - Gaskühler-Finder
Hinweise zum Programm
In dieser Hilfe sollen Ihnen einige allgemeine technische Hilfestellungen und Auswahlkriterien zu den Gasparametern, Wärmetauschern und Gaskühlern gegeben werden, die für jede Kühlerauslegung gelten. So werden z. B. auch Hinweise gegeben, wenn das Auslegungsprogramm feststellt, dass die Wärmetauscher überlastet sind.
Mit diesem Programm können Sie die für Ihre Applikation passenden Kühler berechnen lassen. Sie geben dazu die für eine Auslegung benötigten Daten in die Felder ein. Die Kühler, die in einer Ergebnistabelle angezeigt werden, sind prinzipiell zunächst alle in der Lage, die Anforderungen zu erfüllen. Jedoch ist nicht jeder errechnete Kühler oder Wärmetauscher sinnvoll (siehe z. B. die Erläuterungen in Kapitel 3.3).
Noch ein Hinweis zur Eingabe: Es können nur die Parameter für einen Gasweg eingegeben werden. Sollten Sie mehrere Gaswege haben, geben sie die Parameter des Gasstromes mit der höchsten Gasenergie ein.
1. Gasparameter
2. Wärmetauscher
2.1 Materialauswahl
2.2 Das Verhalten des Wärmetauschers / Auslegungshinweise
2.3 Doppelwärmetauscher
2.4 Wärmetauschertyp 2
2.5 Was tun, wenn der Wärmetauscher überlastet ist?
3. Gaskühler
3.1 Peltiergaskühler
3.2 Kompressorkühler
3.3 Welche Auslegung des Kühlers?
3.4 Einbauhinweise
3.5 Was tun, wenn der Kühler bei der Anwendung überlastet ist?
4. Zubehör
1. Gasparameter
Ausgegangen wird im Folgenden von luftähnlichen Gasen, was bei praktischen Anwendungen eine ausreichende Annahme ist.
a) Die (maximale) Gaseintrittstemperatur:
Dies ist die Temperatur, die das zu kühlende Gasgemisch beim Eintritt in den Wärmetauscher hat. Je heißer das Gasgemisch, desto mehr Kühlenergie ist aufzubringen. In Abhängigkeit vom Material des Wärmetauschers ist eine obere Temperaturgrenze gegeben (in der Regel für Stahl: 180°C; Duran-Glas und PVDF: 140°C).
b) Maximaler Eingangstaupunkt / Feuchtegehalt:
- Der maximale Eingangstaupunkt:
Er bestimmt den Wassergehalt des zu kühlenden Gasgemisches. Sinkt die Temperatur des Gases unter die Taupunkttemperatur, so beginnt das Wasser zu kondensieren (Der Eingangstaupunkt kann daher nie über der Gaseintrittstemperatur liegen!). Als Faustregel gilt, bei einer Erhöhung des Eingangstaupunktes um 10°C verdoppelt sich die benötigte Kühlleistung. Ein entsprechender Ansatz ist daher für die Auslegung wichtig. Der höchstmögliche Taupunkt wird durch die Spezifikationen des jeweiligen Wärmetauschers begrenzt. Die untere Grenze der Eingabe ist 6°C, da bei einem niedrigeren Eingangstaupunkt kein Wasser mehr auskondensieren kann. - Feuchtegehalt:
Eine alternative Angabe des Wassergehaltes kann auch durch den Feuchtegehalt in Volumenprozent Wasser angegeben werden. Dadurch entfällt die Berücksichtigung der Druckabhängigkeit des Taupunktes.
Der Feuchtegehalt des Gases ist eine wichtige Größe für die Auslegung des Kühlers. Je höher dieser Gehalt ist, desto mehr Kühlleistung ist notwendig. Der maximal mögliche Feuchtegehalt wird durch die Gaseingangstemperatur bestimmt. In diesem Fall entspricht der maximale Gaseingangstaupunkt der Gaseingangstemperatur.
c) Der Ausgangstaupunkt:
Der Ausgangstaupunkt ist die einzustellende Temperatur auf die das Messgas heruntergekühlt werden muss, damit die Feuchte des Gases auskondensieren kann. Diese Temperatur kann abhängig vom Taupunkt des Messgases individuell am Kühler eingestellt werden. Ein höher liegender Ausgangstaupunkt als die standardmäßigen 5°C bei gleichbleibendem Eingangstaupunkt bedeutet eine geringere Gasleistung, die der Kühler herunterkühlen muss. Eine ähnliche Logik gilt für die Funktion der Delta-T Regelung. Hierzu ist Näheres in Kapitel Peltierkühler erläutert.
d) Der Gasdruck p:
Der Gasdruck beeinflusst die Dichte des Gasgemisches, dabei gilt überschlägig die Faustregel: doppelter Druck = doppelter Energieinhalt (bei gleichem Volumen). Im Bereich 0,5 .. 3 bar kann mit ausreichender Genauigkeit von der Druckabhängigkeit des Eingangstaupunktes abstrahiert werden. Bei Wärmetauschern aus Duran-Glas oder PVDF ist der maximale Druck begrenzt.
e) Der Volumenstrom Q je Gasweg:
Er wird in l/h (gekühlt, also am Gasausgang des Kühlers) eingegeben. Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Volumenstrom und der Gasenergie. Wollen Sie den Wert in Nl/h eingeben, so setzen Sie den Wert für den Druck auf 1 bar.
f) Rel. Feuchte:
Die relative Feuchte des Gases ist in der Regel kein Ansatzwert für die Auslegung. Sie gibt an, wieviel Prozent des maximal möglichen Wassergehaltes bei der Gastemperatur erreicht sind. Indirekt wird damit die Überhitzung des (bei Gastemperatur = Taupunkt) gesättigten Gases angegeben.
2. Wärmetauscher
Die Wärmetauscher haben einen erheblichen Einfluss auf das Leistungsvermögen des Kühlsystems. Die zugrundeliegenden physikalischen Einflüsse sind nicht einfach darzustellen, sodass wir uns auf das Wesentliche beschränken wollen. Vorausgesetzt wird immer eine Kühlung des Gases und damit eine Senkung des Taupunktes auf ca. 5°C, was der werksseitigen Einstellung des Kühlers entspricht. Der mögliche Einstellbereich, sowohl beim Kühler als auch im Berechnungsprogramm, liegt zwischen +2°C und +20°C Taupunkt.
2.1 Materialauswahl
Zur Verfügung stehen Wärmetauscher aus Edelstahl, Duran-Glas und PVDF. Die Wärmeleitfähigkeit nimmt von Stahl, über Glas zu PVDF ab. Vom kühltechnischen Standpunkt aus ist also immer ein Wärmetauscher aus Stahl vorzuziehen. Allerdings könnte Ihre Anwendung auch aggressive Gase enthalten, sodass Stahl nicht in Frage kommt: Für diesen Fall empfehlen wir Ihnen Glas-Wärmetauscher. PVDF-Wärmetauscher kommen insbesondere aufgrund der höheren mechanischen Stabilität gegenüber Glas infrage.
Die angebotenen Wärmetauscher ersehen Sie aus dem Datenblatt des jeweiligen Kühlers, weitere Typen gibt es auf Anfrage.
2.2 Das Verhalten des Wärmetauschers / Auslegungshinweise
Die Effektivität eines Wärmetauschers ist von der Bauform, dem Material und von den obengenannten Gasparametern in komplizierter Weise abhängig. Durch das Bauprinzip der Bühler-Wärmetauscher ist eine große Taupunktstabilität über einen großen Variationsbereich der Gasparameter und deren Schwankungen gewährleistet.
Die Effektivität eines Wärmetauschers ist generell umso geringer, desto geringer die relative Feuchtigkeit bzw. der Feuchtegehalt des Gases ist. D.h. die Effektivität nimmt mit zunehmendem Abstand zwischen Eingangstaupunkt und Gaseintrittstemperatur ab. Der Wirkungsgrad steigt demnach auch mit steigendem Taupunkt. Einen Eindruck soll die untenstehende Grafik geben, bei der qualitativ der Ausgangstaupunkt / die Ausgangstemperatur über die Kühlenergie aufgetragen ist. Ebenso ist eine Abhängigkeit vom Volumenstrom gegeben.
Man sieht also, dass die maximale Kühlleistung der Wärmetauscher bei einem Gas mit 30°C Eingangstaupunkt (s. braune Kurve im Diagramm) geringer ist als bei einem Gas mit 65°C Eingangstaupunkt (s. blaue Kurve im Diagramm). Wärmetauscher aus Glas und PVDF bieten eine geringere Kühlleistung als Edelstahl (s. petrol- bzw. magentafarben Kurve im Diagramm).
Die maximale Kühlleistung der Wärmetauscher kann über die drei Parameter Gaseingangstemperatur, Gaseingangstaupunkt und Gasdruck für den praktischen Gebrauch definiert werden. Im Ergebnis erhält man den maximalen Durchfluss von getrocknetem Gas.
Die Auswirkung von Schwankungen der Gasparameter ist umso höher, je näher der Wärmetauscher an der Leistungsgrenze betrieben wird, was durch die Tangenten an den Kurven in untenstehender Grafik zu sehen ist. Wir empfehlen daher für eine hohe Stabilität des Ausgangstaupunktes, den Wärmetauscher nur mit etwa 60..80% seiner Maximalleistung zu belasten. Den Wert der Auslastung finden Sie in der Tabelle des Berechnungsprogramms.
Kurz eingegangen werden soll noch auf die Grenzleistung des Wärmetauschers. Bei definierten Werten von Gaseingangstemperatur, Gaseingangstaupunkt und Gasdruck wird der Volumenstrom bestimmt, bei der der Ausgangstaupunkt um maximal 2 K über dem Normpunkt liegt. Die definierten Werte bestimmen sich aus dem üblichen Anwendungsfall und betragen für:
Peltierkühler TC-Standard
Te = 70°C und τe = 40 °C bei p = 1 bar
Kompressorkühler EGK
Te = 90°C und τe = 65 °C bei p = 1 bar
Bei Festlegung der drei Parameter lässt sich dann der maximale Durchfluss bestimmen, der in den Datenblättern für die Wärmetauschern angegeben ist. Wie sich aus den obigen Erläuterungen über das Verhalten des Wärmetauschers ergibt, hat der maximale Durchfluss für andere Festlegungen der Parameter Eingangstemperatur, Eingangstaupunkt und Druck einen anderen Wert.
Bei der Benutzung des Programms brauchen Sie diese Überlegungen nicht zu berücksichtigen, da das Programm sie berücksichtigt.
2.3 Doppelwärmetauscher
Bühler-Doppelwärmetauscher geben Ihnen in Verbindung mit einem Kühler Typ TC-MIDI, EGK 1SD, EGK 1/2 oder EGK 2A Ex die Möglichkeit, zwei Gaswege mit nur einem Wärmetauscher zu kühlen. So können Sie zum Beispiel bei entsprechend benötigter Kühlleistung statt zwei TC-Standard einen EGK 1/2 oder TC-MIDI mit Doppelwärmetauscher einsetzen (spart Anschaffungs- und Montagekosten).
Die Gaswege der Doppelwärmetauscher sind konstruktiv vollständig voneinander getrennt.
Der Temperaturaustausch beider Gaswege im Doppelwärmetauscher ist gering. Die Variation der Gasenergie eines Gaswegs über den gesamten (!) Leistungsbereich des Wärmetauschers bewirkt auf dem anderen Gasweg nur eine Variation des Ausgangstaupunktes von maximal 0,5 K.
Da in der Regel die Leistungen auf die Gaswege gleich verteilt sind, bleiben die Quereinflüsse unter 0,2 K, sind also bei einem Ausgangstaupunkt von 5 °C vernachlässigbar.
2.4 Wärmetauschertyp 2
Die Wärmetauscher des Typs 2 sind speziell für die Anwendung der Emissionsmessung entwickelt worden. Bei der auswaschoptimierten Kühlerbaureihe, gekennzeichnet durch „+“ im Modellnamen werden diese Wärmetauscher in Reihe geschaltet. Diese Konfiguration gewährleistet eine deutlich geringere Auswaschung wasserlöslicher Komponenten im Vergleich zu den Standardwärmetauschern.
2.5 Was tun, wenn der Wärmetauscher überlastet ist?
Eine einfache Lösung ist es, zwei oder mehr Wärmetauscher parallel zu schalten. Diese Möglichkeit gilt nur für Standardwärmetauscher und nicht für die genannten Wärmetauschertyp 2. Eine Reihenschaltung von zwei Standardwärmetauschern führt zu keiner taupunktstabilen Lösung, da der erste Wärmetauscher den Großteil der Kühlung übernehmen muss. Der zweite Wärmetauscher arbeitet nur noch mit einem geringen Eingangstaupunkt, was wie zuvor erläutert, sowohl zu einer geringeren Effektivität als auch zu größeren Taupunktschwankungen führt. Bei der Parallelschaltung der Standardwärmetauscher ist die notwendige Kühlleistung auf beide Wärmetauscher in etwa gleich verteilt und sie arbeiten mit einer geringeren Auslastung, was eine höhere Taupunktstabilität bewirkt.
3. Gaskühler
Die Firma Bühler Technologies GmbH bietet Gaskühler in zwei Produktfamilien an. Dies sind die Peltierkühler in der TC-Baurreihe, sowie die Kompressorkühler der EGK-Baurreihe. Die Kühlprinzipien beider Produktfamilien haben gemeinsam, dass die zur Verfügung stehende Kühlleistung mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt.
Daher ist die maximale Umgebungstemperatur am Aufstellort der Kühler ein wichtiger Randparameter für Ihre Auslegung. Entscheidend für die im Kühlerberechnungsprogramm benötigte Umgebungstemperatur ist die Temperatur der vom Kühler angesaugten Umgebungsluft.
Als Beispiel wird der Kühler eingebaut in einen Analysenschrank angenommen. Hier ist die Temperatur innerhalb des Schrankes entscheidend und nicht die Temperatur außerhalb des Schrankes.
Berücksichtigen Sie deshalb bitte auch das Kapitel 3.4 Einbauhinweise.
Die Leistungsklasse eines Kühlers wird festgelegt durch seine Nominalleistung. Die Nominalleistung soll als die Kühlleistung bei einer bestimmten Umgebungstemperatur definiert sein. Die Werte der Nominalleistung können Sie den jeweiligen Datenblätter der Kühler entnehmen.
Die Ergebnistabelle enthält zwei Reiter „Maximale Kühlleistung“ und „Minimale Auswaschung“.Dort werden die entsprechenden Kühler basierend auf den eingegebenen Parametern ausgewertet. Bei den leistungsoptimierten Kühlern spielen die möglichen Auswascheffekte eine untergeordnete Rolle, wohingegen bei den Kühlern mit minimalen Auswascheffekten darauf Wert gelegt wurde die Anforderungen der DIN EN 15267-3 zu erfüllen. Um eine Auslegung hinsichtlich minimaler Auswaschung durchzuführen, sind die Parameter „Material Wärmetauscher“ „PVDF“ oder „Glas“, „Anzahl Gaswege“ auf „1“ und „Anzahl Wärmetauscher“ auf „2“ zu setzen.
3.1 Peltiergaskühler
Diese Kühler sind sehr kompakt gebaut und ausgelegt für einen bzw. in besonderer Bauform für zwei Gaswege. Wärmetauscher sind erhältlich in Edelstahl, Duran-Glas und PVDF. Bedingt durch das Kühlprinzip sind sie für moderate Leistungen und Umgebungstemperaturen ausgelegt. Dafür liegen sie preislich niedriger als Kompressorkühler. Der Hauptanwendungsbereich liegt bei Gasflüssen von bis zu 150 Nl/h bei Gastemperaturen bis 70 °C und einem Eingangstaupunkt von 40 °C.
Die Peltiergaskühler besitzen eine besondere Steuerung zur Leistungssteigerung, die sogenannte Delta-T-Regelung. Nicht für alle Anwendungen ist ein Ausgangstaupunkt von 5 °C notwendig. Bei manchen Anwendungen ist auch ein höherer Taupunkt ausreichend. Bei weiteren Applikationen kommt es nicht auf einen stabilen Ausgangstaupunkt an, es reicht wenn das Gas trocken ist, der Ausgangstaupunkt also eine ausreichende Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur aufweist.
Der Ausgangstaupunkt wird bei der Delta-T-Regelung um einen einstellbaren Betrag unterhalb der aktuellen Umgebungstemperatur geregelt. Somit ist die mögliche Kühlleistung auf die Grenzen des Wärmetauschers erweitert. Hierbei ist zu beachten, dass der Ausgangstaupunkt mit der Umgebungstemperatur schwankt und ein stabiler Taupunkt für die Messung nicht vorausgesetzt werden darf. Die untenstehenden Diagramme verdeutlichen diese Zusammenhänge. Die Unterschiede bezüglich bereitgestellter Kühlleistung werden im oberen Diagramm als Funktion der Umgebungstemperatur verdeutlicht. Hier wird der Verlauf eines auf 10 °C fest eingestellten Taupunktes gegenüber 15 K bzw. 30 K Temperaturdifferenz (Delta-T) verglichen. Das untere Diagramm zeigt die unterschiedlich resultierenden Taupunkte.
3.2 Kompressorkühler
Die Kompressorkühler der Baureihe EGK liegen in einer höheren Leistungsklasse als die Peltierkühler und sind auch für höhere Umgebungstemperaturen bis 50°C geeignet. Für die Kühler Baureihe EGK gibt es einfache Wärmetauscher sowie Doppelwärmetauscher (zwei Gaswege in einem Wärmetauscher) in Stahl, Duran-Glas und PVDF (Zur Auswahl siehe das Kapitel "Wärmetauscher").
3.3 Hinweise zur Ergebnistabelle?
Generell arbeiten die Kühler, wenn sie zu 100 % bei maximalen Parametern ausgelastet sind, einwandfrei (Auslastung siehe Tabelle im Berechnungsprogramm). Bedenken Sie jedoch, dass es unter Umständen zu Spitzen in Ihrem System, insbesondere bei der Umgebungstemperatur, kommen kann. Sie sollten daher eine Sicherheitsspanne von ca. 20 % für Temperaturspitzen und eventuelle Verschmutzung (siehe Kapitel "3.4 Einbauhinweise") einplanen.
3.4 Einbauhinweise
Wie zuvor angedeutet, ist die zur Verfügung stehende Kühlleistung von der Temperatur der angesaugten Luft abhängig. Daher ist bei der Montage die Zufuhr möglichst kühler Luft sicherzustellen. Insbesondere beim Einbau in einen geschlossenen Schrank ist für eine ausreichende Belüftung zu sorgen. Ein Luftkreislauf vom Luftaustritt des Kühlers zum Lufteintritt ist zu vermeiden. Daraus ergibt sich auch, dass der Luftein- und austritt ungehindert erfolgen muss. Hindernisse sollten daher mindestens 10 cm, besser noch weiter, von den Ein- und Austrittsöffnungen entfernt sein.
Im Laufe des Betriebs kann es, insbesondere bei Umgebungen mit höherem Staubanfall, zu Staubablagerungen im Luftweg des Kühlers kommen. Dadurch wird die Kühlleistung herabgesetzt. Wir empfehlen daher, den Einbau des Kühlers so zu gestalten, dass mittels Pressluft oder Handfeger die Lamellen der Luftkühlflächen regelmäßig gesäubert werden können.
3.5 Was tun, wenn der Kühler bei der Anwendung überlastet ist?
1) Senkung der Umgebungstemperatur (z.B. durch Zwangsbelüftung des Analysenschrankes)
2) Senkung der benötigten Kühlleistung:
a) durch Senkung des Volumenstroms
b) durch Einsetzen einer Vorkühlung (Fragen Sie uns ggf. an)
c) durch Verwendung der Delta-T-Regelung (nur bei Peltiergaskühlern)
d) durch Hochsetzen des Ausgangstaupunktes (nur wirksam bei Peltiergaskühlern)
e) durch Anpassung der Parameter Gaseingangstemperatur, Gaseingangstaupunkt oder Gasdrucks
(siehe Kapitel 2.2 Das Verhalten des Wärmetauschers / Auslegungshinweise)
4. Zubehör
Für die weitere Aufbereitung des Messgases bieten wir je nach Betriebsart des Aufbereitungssystems Messgaspumpen zur Förderung oder Feuchtefühler und Filter zur Prozesssicherheit an. Für die Kondesatableitung bieten wir automatische Kondensatableiter oder peristaltische Pumpen an. Diese Zubehörteile können bei einigen Kühler an- oder eingebaut werden.
Bitte beachten Sie hierzu die Hinweise in den Datenblättern der einzelnen Kühler und die Zubehördatenblätter in unserem Katalog oder der Website.