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Wärmeübertrager

Plattenwärmeübertrager. Quelle: Varem
Rohrbündelwärmeübertrager. Quelle: API heat transfer

Wärmeübertrager werden heute noch vielfach Wärmetauscher genannt, obwohl ja die Wärme nicht gegen irgendetwas anderes getauscht wird.

Anwendung in der Geothermie

In der Geothermie spielen Wärmeübertrager an vielen Stellen eine bedeutende Rolle:

Überirdische Anlagen

Wärmeübertrager dienen der Trennung von Kreisläufen mit unterschiedlichen Arbeitsmitteln. In einem Kraftwerk trennen sie den Thermalwasserkreislauf vom ORC- oder Kalinakreislauf. In einer Wärmepumpe trennen sie das Arbeistmittel der Erdsonden von dem Nutzerkreislauf.

Technisch unterscheiden wir meist zwischen Plattenwärmeübertragern und Rohrwärmeübertragern, es gibt aber auch viel andere Bauformen.

Plattenwärmetauscher

Je nach eingesetztem Medium (Thermalwasser, Heizwasser, Arbeitsmittel) kommen Plattenwärmetauscher als gedichtete, teilgeschweißte oder vollverschweißte Apparate zum Einsatz. Neigt das Medium zu Ausfällungen und Verschmutzungen werden gedichtete Wärmetauscher eingesetzt, bei sauberen Medien mit großen Anforderungen an die Dichtheit und für hohe Prozessdrücke kommen teil- oder vollverschweißte Apparate zum Einsatz. In ORC-Geothermiekraftwerken werden für die Fernwärmeauskoppelung gedichtete Apparate verwendet, die leicht demontiert und gereinigt werden können. Bei Kalinaanlagen werden hohe Anforderungen an die Dichtheit gestellt. Somit werden hier als Vorwärmer, Verdampfer und Kondensatoren teil- oder vollverschweißte Apparate eingesetzt.
Als Werkstoff kommen z.B. – je nach Thermalwasserzusammensetzung – für die Wärmetauscher-platten Titan, vollaustenitische Stähle (z.B. 1.4539), Duplex Stähle (z.B. 1.4462) und für die Dichtungen bei nicht verschweißten Ausführungen Viton, Teflon, NBR oder EPDM zum Einsatz. 

Neigt das Medium zu Ausfällungen und Verschmutzungen werden gedichtete Wärmetauscher eingesetzt, bei sauberen Medien mit großen Anforderungen an die Dichtheit und für hohe Prozessdrücke kommen teil- oder vollverschweißte Apparate zum Einsatz. In ORC-Geothermiekraftwerken werden für die Fernwärmeauskoppelung gedichtete Apparate verwendet, die leicht demontiert und gereinigt werden können. Bei Kalinaanlagen werden hohe Anforderungen an die Dichtheit gestellt. Somit werden hier als Vorwärmer, Verdampfer und Kondensatoren teil- oder vollverschweißte Apparate eingesetzt.

Als Werkstoff kommen z.B. – je nach Thermalwasserzusammensetzung – für die Wärmetauscher-platten Titan, vollaustenitische Stähle (z.B. 1.4539), Duplex Stähle (z.B. 1.4462) und für die Dichtungen bei nicht verschweißten Ausführungen Viton, Teflon, NBR oder EPDM zum Einsatz. 

Rohrbündelwärmetauscher

Rohrbündelwärmetauscher (tube and shell) werden häufig in der Prozessindustrie verwendet, wenn hohe Prozessdrücke und große Dichtigkeit zwischen den beiden Medien gefordert werden. Ausführungsformen von Rohrbündelwärmeübertragern sind gerade Rohre, U-Rohre und ziehbare Rohrbündel, die im Ganzen aus dem Mantel gezogen werden können.

Bei ORC-Geothermiekraftwerken kommen Rohrbündelwärmetauscher bei der Wärmeübertragung von Thermalwasser auf das ORC-Arbeitsmittel mit geraden Rohren und fest verschweißten Rohrbündeln zum Einsatz. Dabei ist das saubere Arbeitsmittel auf der Mantelseite, das Thermalwasser auf der Rohrseite. Bei Verschmutzungen auf der Thermalwasserseite können die Rohre mit mechanischen Bürsten oder durch den Einsatz von Säuren von Ablagerungen befreit werden, ohne dass der Arbeitsmittelkreislauf geöffnet werden muss. In Kalinaanlagen werden keine Rohrbündelwärmetauscher eingesetzt, da sich dies als nicht zielführend herausgestellt hat. Als Werkstoff kommen je nach Thermalwasserzusammensetzung für thermalwasserführende Rohrbündel vollaustenitische und/oder Duplex Stähle zum Einsatz. 

Unterirdische Wärmeübertrager

Um Wärmeenergie aus dem Untergrund fördern zu können muss diese entweder zusammen mit dem Wasser, das diese Energie enthält gefördert werden (hydrothermales System) oder sie muss vom Gestein auf ein Arbeitsmittel (meist Wasser) übertragen werden. Die Realisierung dieses Wärmeübergangs vom Gestein zum Arbeitsmittel Wasser nennt man unterirdischen Wärmeübertrager. Er kann entweder von Natur aus vorhanden sein oder künstlich hergestellt werden. Eine Zwischenform ist die künstliche Verbesserung eines vorhandenen Wärmeübertragers (Stimulation).

Die Schaffung, Beherrschung und Nutzung untertägiger Wärmeübertrager ist ein entscheidendes und notwendiges Know How der Tiefengeothermie.

Literatur

Müller-Steinhagen, H.: Modellierung der Ablagerungsbildung in Wärmeübertragern. Lehrst. f. techn. Thermodynamik, Univ. Erlangen, 2000 

Gec-co global engineering & consulting: Vorbereitung und Begleitung bei der Erstellung eines Erfahrungsberichts gemäß § 97 Erneuerbare-Energien-Gesetz, Teilvorhaben II b): Geothermie, Zwischenbericht, 2018