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.
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.
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
| Kategorie | Leistung |
|---|---|
| Wärmeleistung | 1 MW |
| Volumenstrom abwasserseitig | 65 m³/h |
| Volumenstrom kühlwasserseitig | 55 m³/h |
| Druckverlust abwasserseitig | 0,01 bar |
| Druckverlust kühlwasserseitig | 0,40 bar |
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.
Ihr Ansprechpartner für alle Fragen rund um das Thema Abwasserbehandlung
Herr Mirko Heinze
Chief Operating Officer Water Treatment
Telefon: +49 351 40494 300