Der E‑Plate Wär­me­tau­scher ermög­licht effi­zi­en­te­ren Betrieb von Klär­an­la­gen

Abwas­ser­wär­me­tau­scher sor­gen für die zuver­läs­si­ge Funk­ti­on einer Klär­an­la­ge und ermög­li­chen eine Rück­ge­win­nung von Wär­me aus dem Abwas­ser­strom. Der E‑Plate Wär­me­tau­scher bie­tet vie­le Vor­tei­le gegen­über her­kömm­li­chen Sys­te­men und stellt eine effi­zi­enz­stei­gern­de Lösung für fest­stoff­be­las­te­te Abwäs­ser dar. .

Wär­me­über­tra­gung vom Abwas­ser zum Pro­zess­was­ser

Vie­le Unter­neh­men benö­ti­gen in ihrer Pro­duk­ti­on war­mes Pro­zess­was­ser. Mit der inno­va­ti­ven Anla­ge von DAS wird nun eine Wär­me­über­tra­gung vom Abwas­ser zum Pro­zess­was­ser ermög­licht.

Das hilft, die Tem­pe­ra­tu­ren der Was­ser­strö­me zu opti­mie­ren, wodurch sowohl der Ener­gie­ein­satz als auch die Abwas­ser­be­hand­lung selbst deut­lich an Effi­zi­enz gewin­nen.

Abwas­ser­wär­me­tau­scher in der Papier­in­dus­trie

Erfah­run­gen mit sol­chen Wär­me­tau­schern hat die Schu­ma­cher Pack­a­ging GmbH in ihrem Werk in Schwar­zen­berg gesam­melt. Das Unter­neh­men hat sich auf maß­ge­schnei­der­te Ver­pa­ckungs­lö­sun­gen aus Well- und Voll­pap­pe spe­zia­li­siert.

In Schwar­zen­berg im Erz­ge­bir­ge stellt die Schu­ma­cher Pack­a­ging GmbH Pap­pe her. Dazu wird Alt­pa­pier auf­be­rei­tet. Für die­sen Pro­zess wird sehr viel Was­ser benö­tigt, wel­ches aus einem Fluss, der Gro­ßen Mitt­wei­da, ent­nom­men wird. Die­ses Was­ser kommt im Win­ter rela­tiv kalt an, mit Tem­pe­ra­tu­ren von ca. 5°C. Es wird vor­ge­r­ei­nigt und muss mit Hil­fe von exter­nen Wär­me­quel­len auf­ge­wärmt wer­den.

Die Schu­ma­cher Pack­a­ging GmbH hat 2013 die Kapa­zi­tät der Papier­ma­schi­ne erhöht. Damit ist auch eine Anhe­bung der Pro­zess­tem­pe­ra­tur auf bis zu 55°C ver­bun­den – viel zu viel für die nach­fol­gen­de bio­lo­gi­sche Abwas­ser­be­hand­lung, denn die Mikro­or­ga­nis­men ster­ben ab, wenn das Was­ser zu heiß ist. Das Resul­tat: Die Klär­an­la­ge wür­de bei die­sen Tem­pe­ra­tu­ren nicht mehr funk­tio­nie­ren. Eine wei­te­re Restrik­ti­on stellt die behörd­lich fest­ge­leg­te Tem­pe­ra­tur-Ober­gren­ze von 30°C für die Direkt­ein­lei­tung von Abwäs­sern dar.

Aus die­sem Grund such­te die Schu­ma­cher Pack­a­ging GmbH nach einer Mög­lich­keit, das Abwas­ser über ein mög­lichst pfif­fi­ges Kon­zept zu küh­len, damit die bio­lo­gi­sche Abwas­ser­auf­be­rei­tung wei­ter­hin zuver­läs­sig arbei­tet und die zurück­ge­won­ne­ne Wär­me­en­er­gie für die Vor­wär­mung des kal­ten Fluss­was­sers genutzt wer­den kann.

DAS MBBR Kläranlage bei Schumacher Packaging
DAS MBBR Kläranlage bei Schumacher Packaging

Wär­me­über­tra­gung bei mini­ma­lem Druck­ver­lust und gerin­gem War­tungs­auf­wand

Für den Ein­satz des Wär­me­tau­schers beim Kun­den gel­ten erschwer­te Bedin­gun­gen:

  • Ein­bin­dung in die vor­han­de­ne Frei­spie­gel­lei­tung bei mini­ma­lem Druck­ver­lust
  • Bestän­dig gegen Ver­schmut­zun­gen + Ver­stop­fun­gen → war­tungs­arm

Die her­kömm­li­chen Aus­füh­rungs­for­men von Wär­me­tau­schern waren für den vor­lie­gen­den Fall daher unge­eig­net.

Bau­for­men her­kömm­li­cher Wär­me­tau­scher

Her­kömm­li­che Wär­me­tau­scher wer­den seit Jahr­zehn­ten in vie­len Anwen­dungs­be­rei­chen der Indus­trie erfolg­reich und effek­tiv ein­ge­setzt. Im Abwas­ser­be­reich konn­ten bis­her kei­ne zufrie­den­stel­len­den tech­ni­schen Lösun­gen gefun­den wer­den. Im Kon­takt mit dem Abwas­ser ver­schmut­zen die Über­tra­ger­flä­chen rela­tiv schnell. Es bil­det sich rasch ein Bio­film, der rapi­de wächst, wenn die Appa­ra­te nicht regel­mä­ßig gerei­nigt wer­den.

Die­ser Vor­gang wird als Fouling bezeich­net und führt zu einer Redu­zie­rung der Wär­me­über­tra­gungs­leis­tung und damit zu einer dras­ti­schen Ver­schlech­te­rung des Wir­kungs­gra­des. In der Fol­ge müs­sen die Über­tra­gungs­flä­chen bei übli­chen Appa­ra­ten durch auf­wen­di­ge CIP-Ver­fah­ren gerei­nigt wer­den (Clea­ning in Place) oder geöff­net und im Fall der Plat­ten-Wär­me­tau­scher sogar zer­legt wer­den, um sie danach auf­wen­dig zu rei­ni­gen.

Oft­mals wird bei mecha­ni­schen Rei­ni­gungs­ver­fah­ren nur ein unzu­rei­chen­des Rei­ni­gungs­er­geb­nis erzielt. Die Ursa­che die­ses schlech­ten Ergeb­nis­ses ist z.B. die gerin­ge Erreich­bar­keit des Was­ser­strahls bei der Hoch­druck­rei­ni­gung an der Innen­sei­te, vor allem bei grö­ße­ren Wär­me­tau­schern.

E-Plate Wärmetauscher

Selbst­rei­ni­gen­der Wär­me­tau­scher für Abwas­ser

Die für Schu­ma­cher Pack­a­ging gefun­de­ne Lösung – der E‑Plate – ist ein Wär­me­tau­scher mit kon­ti­nu­ier­lich rotie­ren­dem Bürs­ten­sys­tem und soge­nann­ten Ther­mo­plat­ten. Damit wird die Ver­un­rei­ni­gung stark mini­miert und die Wär­me­über­tra­gung ver­bes­sert. Die rotie­ren­den Bürs­ten sor­gen sowohl für die stän­di­ge Rei­ni­gung der Wär­me­über­tra­ger­flä­chen, als auch für eine hohe Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit und damit ver­bun­den eine höhe­re Über­tra­gungs­leis­tung.

Wei­ter­hin wird das Abwas­ser die Rota­ti­on der Bürs­ten in eine spi­ral­för­mi­ge Bewe­gung gebracht, die die Wir­kung eines Gegen­strom-Wär­me­über­tra­gers erzielt. Die­ses Kon­struk­ti­ons­prin­zip erlaubt eine Instal­la­ti­on im Ablauf bestehen­der Klär­an­la­gen ohne den Ein­satz zusätz­li­cher Druck­erhö­hungs­pum­pen. Kom­ple­xe Mess- und Regel­tech­nik wird so über­flüs­sig.

Funk­ti­ons­prin­zip des E‑Plate Abwas­ser­wär­me­tau­schers

Das (sau­be­re) Kühl­was­ser wird gleich­mä­ßig auf alle Ther­mo­plat­ten ver­teilt und strömt in die­sen Plat­ten ring­för­mig ein­mal durch den Wär­me­tau­scher. Ther­mo­plat­ten bestehen aus zwei Wär­me­über­tra­gungs­ble­chen, die an den Rän­dern voll­stän­dig und auf der Flä­che durch Punkt­schwei­ßun­gen mit­ein­an­der ver­bun­den sind. Die so ver­schweiß­ten Ble­che wer­den anschlie­ßend hydrau­lisch auf­ge­wei­tet und erhal­ten Anschlüs­se für den Kühl­was­ser­zu- und ‑ablauf.

Um eine per­ma­nen­te Rei­ni­gung durch ein rotie­ren­des Bürs­ten­sys­tem zu ermög­li­chen, müs­sen die­se Ther­mo­plat­ten zu Rin­gen geformt wer­den. Meh­re­re die­ser Rin­ge mit wach­sen­dem Durch­mes­ser wer­den inein­an­der gestellt und zu einem Behäl­ter ver­bun­den. Die äußers­te Ther­mo­plat­te bil­det gleich­zei­tig die Außen­wand des Behäl­ters.

Das ver­schmutz­te Abwas­ser wird von unten in den Wär­me­tau­scher gelei­tet und strömt zwi­schen den Ther­mo­plat­ten auf­wärts durch den Behäl­ter, um an der Ober­sei­te abge­lei­tet zu wer­den. Durch die Dreh­be­we­gung der Bürs­ten wird das Abwas­ser zusätz­lich in einen spi­ral­för­mi­gen Umlauf gebracht (Spi­ral­wär­me­über­tra­ger). Dadurch wird der Effekt eines Gegen­strom-Wär­me­über­tra­gers erzielt.

Instal­la­ti­on vor der Abwas­ser­rei­ni­gungs­an­la­ge bei Schu­ma­cher Pack­a­ging in Schwar­zen­berg

Im Fal­le der Schu­ma­cher Packing wur­den zwei Wär­me­tau­scher instal­liert. Sie kön­nen ein­zeln, in Rei­he oder aber par­al­lel betrie­ben wer­den. Dadurch ist eine hohe Fle­xi­bi­li­tät für den Anla­gen­be­trieb gewähr­leis­tet. Dies ist wich­tig, denn wenn das Abwas­ser zu kalt wird, dann beein­träch­tigt es eben­falls den Stoff­wech­sel der Mikro­or­ga­nis­men in der bio­lo­gi­schen Abwas­ser­auf­be­rei­tung.

Die Leis­tungs­da­ten des instal­lier­ten Wär­me­tau­schers

Kate­go­rieLeis­tung
Wär­me­leis­tung 1 MW
Volu­men­strom abwas­ser­sei­tig65 m³/h
Volu­men­strom kühl­was­ser­sei­tig55 m³/h
Druck­ver­lust abwas­ser­sei­tig0,01 bar
Druck­ver­lust kühl­was­ser­sei­tig0,40 bar
3D Darstellung des Abwasserwärmetauschers

Aus­füh­rungs­va­ria­ti­on des E‑Plate Wär­me­tau­schers

Die Wär­me­tau­scher wur­den für einen zuläs­si­gen Betriebs­druck auf der Kühl­was­ser­sei­te von 10 bar aus­ge­legt. Die Aus­füh­rung erfolg­te in Edel­stahl 1.4404 – hier ist eine gro­ße Band­brei­te an wei­te­ren Mate­ria­li­en ver­füg­bar, wobei ent­spre­chend der jewei­li­gen Abwas­ser­zu­sam­men­set­zung das geeig­ne­te Mate­ri­al aus­ge­wählt wird. Die Bau­form die­ser Wär­me­tau­scher ist enorm varia­bel und für sehr vie­le Ein­satz­fäl­le geeig­net. Für recht­ecki­ge Gerin­ne wer­den gera­de Ther­mo­plat­ten zu Pake­ten zusam­men­ge­fasst und wahl­wei­se mit Selbst­rei­ni­gung oder ein­zeln zieh­bar aus­ge­führt.

Alle Aus­füh­rungs­va­ri­an­ten kön­nen auch in bestehen­de Behäl­ter ein­ge­han­gen wer­den, womit sich der Platz­be­darf für Auf­stel­lung und Ver­roh­rung erheb­lich ver­rin­gert. Frei ein­ge­han­ge­ne Wär­me­tau­scher wer­den ohne geschlos­se­nen Boden aus­ge­führt und im Auf- oder Abst­rom­ver­fah­ren betrie­ben.

Vor­tei­le gegen­über her­kömm­li­chen Wär­me­tau­schern:

  • Per­ma­nen­te Selbst­rei­ni­gung
  • Geeig­net für fest­stoff­be­las­te­tes Abwas­ser
  • Gerin­ger Druck­ver­lust
  • Ein­fa­che Inspek­ti­on
  • Hohe Tur­bu­len­zen durch rotie­ren­de Bürs­ten, dadurch guter Wär­me­über­gang

Ein­ge­setzt wer­den die­se Wär­me­tau­scher bereits in fol­gen­den Bran­chen und Berei­chen:

Wei­te­re Vor­tei­le beim Ein­satz die­ser Wär­me­tau­scher

Neben dem Effekt der Ener­gie­ein­spa­rung durch die direk­te Wär­me­rück­ge­win­nung erge­ben sich durch den Ein­satz die­ses Typs Wär­me­tau­scher neue Mög­lich­kei­ten für die Dimen­sio­nie­rung und den Betrieb von Abwas­ser­tech­nik.

Erwär­mung des Abwas­sers für Anaerobre­ak­to­ren

Hier ist an ers­ter Stel­le die Mög­lich­keit des Ein­sat­zes von Anaerobre­ak­to­ren zu nen­nen, die vor­zugs­wei­se bei einer Tem­pe­ra­tur von 35 bis 38°C betrie­ben wer­den. Anae­ro­be bio­lo­gi­sche Stu­fen sind gekenn­zeich­net durch die Tat­sa­che, den Schad­stoff­ab­bau ohne die Zufuhr von Sauer­stoff zu erzie­len.

Hat das anfal­len­de Abwas­ser nicht die erfor­der­li­che Tem­pe­ra­tur, kann durch eine geschick­te Kom­bi­na­ti­on, aus Wär­me­rück­ge­win­nung im Ablauf der Anla­ge und damit gleich­zei­ti­ger Vor­wär­mung des zu kal­ten Abwas­sers mit nur mini­ma­lem Ener­gie­auf­wand, die für den anae­ro­ben Reak­tor opti­ma­le Tem­pe­ra­tur gehal­ten wer­den.

Die anae­ro­be Abwas­ser­be­hand­lung ist beson­ders geeig­net für hoch­be­las­te­te indus­tri­el­le Abwäs­ser. Die Vor­tei­le gegen­über aero­ben, also mit Hil­fe von Sauer­stoff betrie­be­nen Ver­fah­ren, sind ins­be­son­de­re der erheb­lich gerin­ge­re Bedarf an elek­tri­scher Ener­gie, die gerin­ge­re Men­ge an gebil­de­ten Rest­stof­fen (Über­schuss­schlamm), hohe Umsatz­leis­tun­gen und damit kom­pak­te Bau­for­men sowie schließ­lich die Erzeu­gung von Bio­gas.

Ein Teil des Bio­ga­ses kann für die Auf­recht­erhal­tung der opti­ma­len Betriebs­tem­pe­ra­tur im Anaerobre­ak­tor ver­wen­det wer­den. Der grö­ße­re Teil die­ses Bio­ga­ses kann sowohl zu Heiz­zwe­cken als auch zur Ver­stro­mung über Block­heiz­kraft­wer­ke ein­ge­setzt wer­den.

Leis­tungs­stei­ge­rung für aero­be Abwas­ser­tech­nik

Auch aero­be bio­lo­gi­sche Stu­fen kön­nen mit Hil­fe eines vor­ge­schal­te­ten Wär­me­tau­schers auf eine opti­ma­le Betriebs­tem­pe­ra­tur gebracht wer­den. Auf die­se Wei­se ist eine Leis­tungs­stei­ge­rung vor­han­de­ner Anla­gen mög­lich. Beim Neu­bau bio­lo­gi­scher Klär­an­la­gen kön­nen die­se von vorn­her­ein klei­ner und kom­pak­ter dimen­sio­niert wer­den.

Bei kom­mu­na­len Klär­an­la­gen ist die Ener­gie­ef­fi­zi­enz eben­falls ein sehr wich­ti­ger Aspekt. Aus die­sem Grund wird seit gerau­mer Zeit ver­sucht, eine Rück­ge­win­nung der Wär­me aus dem Abwas­ser zu rea­li­sie­ren. Eine groß­tech­ni­sche Umset­zung wur­de bis­her durch meh­re­re Fak­to­ren gebremst.

  • Schnel­le Belags­bil­dung auf den Über­tra­ger­flä­chen
  • Damit ver­bun­den schnel­le Leis­tungs­min­de­rung und hoher War­tungs­auf­wand
  • Zusätz­li­che Pump­wer­ke für die Über­win­dung des Druck­ver­lus­tes

Ins­be­son­de­re der letz­te Punkt ist von Bedeu­tung, da im Aus­lauf vie­ler Klär­an­la­gen (sowohl indus­tri­el­ler wie auch kom­mu­na­ler) der Höhen­un­ter­schied zwi­schen dem Ablauf der Abwas­ser­rei­ni­gungs­an­la­ge und dem Was­ser­spie­gel des Vor­flu­ters sehr gering ist.

Zusätz­li­che Abwas­ser­tech­nik wei­test­ge­hend über­flüs­sig

Die Instal­la­ti­on die­ser zusätz­li­chen Pump­wer­ke wür­de dazu füh­ren, dass der Effekt der Stei­ge­rung der Ener­gie­ef­fi­zi­enz durch die Wär­me­rück­ge­win­nung erheb­lich sinkt oder sogar ver­schwin­det. Der Druck­ver­lust her­kömm­li­cher Wär­me­tau­scher wird durch die hohen Strö­mungs­ge­schwin­dig­kei­ten, die für einen effek­ti­ven Betrieb erfor­der­lich sind, ver­ur­sacht. Gleich­zei­tig wer­den die Strö­mungs­ka­nä­le mög­lichst klein gehal­ten, um eine hohe Wär­me­über­tra­ger­leis­tung zu erzie­len. Dies wie­der­um führt zu schnel­le­ren Ver­blo­ckun­gen und wei­ter stei­gen­den Druck­ver­lus­ten. Übli­che Wer­te für den Druck­ver­lust lie­gen bei ca. 0,5 bar bis 1,0 bar – das ent­spricht einer Was­ser­spie­gel­dif­fe­renz von 5 bis 10 Metern.

Das Sys­tem der hier vor­ge­stell­ten selbst­rei­ni­gen­den Wär­me­tau­scher unter­schei­det sich in die­sem Punkt am deut­lichs­ten von allen ande­ren Sys­te­men. Der typi­sche Wert für den Druck­ver­lust liegt bei ca. 0,01 bar – ent­spre­chend einer Was­ser­spie­gel­dif­fe­renz von 0,1 Meter.

Geeig­net für fest­stoff­be­las­te­te Abwäs­ser

Zusam­men­fas­send lässt sich sagen, dass die­ser Wär­me­tau­scher eine effi­zi­enz­stei­gern­de Lösung für fest­stoff­be­las­te­te Abwäs­ser dar­stellt, wenn das Abwas­ser zu kalt oder zu warm ist, oder die Klär­an­la­ge inef­fi­zi­ent arbei­tet.

Im Fall der Schu­ma­cher Pack­a­ging GmbH konn­te durch den Ein­satz des Wär­me­tau­schers 40 % des bis­her benö­tig­ten Erd­ga­ses ein­ge­spart wer­den. Die Inves­ti­ti­on amor­ti­siert sich so bereits im ers­ten Jahr.

DAS EE Headquarter

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Herr Dr. Jörg Win­ter
Lei­ter Ver­trieb Was­ser­be­hand­lung

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