Rückkühler Auslegung

‍Wie groß muss der Rückkühler sein? 

Die Dimensionierung des Rückkühlers stand im Fokus dieses Projekts. Zudem wollte unser Kunde geklärt haben, bis zu welchen Umgebungstemperaturen eine Rückkühlung überhaupt ausreichend ist und ab wann eine Kälteanlage zur Unterstützung eingesetzt werden muss. So soll sichergestellt werden, dass die Kühlung auch im Sommer ausreichend schnell erfolgen kann. Gegebenenfalls ist der Einsatz einer Kälteanlage auch sinnvoll, um die Größe des Rückkühlers zu reduzieren und um einen flexibleren Produktionsablauf zu ermöglichen.

Rückkühlung bei sinkender Temperaturdifferenz

Die Auslegung von Rückkühlern für Batch-Prozesse ist nicht trivial. Da die Temperatur des Produkts bei der Kühlung sinkt, ändert sich die Temperaturdifferenz ständig und eine stationäre Betrachtung ist nicht zielführend. Zudem kann sich auch die Umgebungstemperatur bei längeren Abkühlzeiten ändern.

Im betrachteten Fall ist das Produkt nicht direkt gekühlt worden, sondern ist über einen Zwischenkreislauf mit dem Rückkühler verbunden. Außerdem ist optional eine zusätzliche Kühlung über Kälteanlagen vorgesehen.

Damit ergibt sich folgendes vereinfachtes Anlagen-Schema:

Simulation des Rückkühl-Prozesses

Schon bei diesem überschaubaren Problem ist auf Grund der instationären Prozess-Bedingungen eine dynamische Simulation zur Rückkühler Auslegung sinnvoll. Daher haben wir folgendes Vorgehen gewählt: 

1. Abbildung des bestehenden Systems in Modelica
2. Kalibrierung des Modells mit Messdaten
3. Simulation und Bewertung der Varianten

Das vorliegende System kann vollständig mit Standard-Komponenten (u.a. Pumpen, Tanks, Wärmeübertrager) der TIL-Bibliothek abgebildet werden und ist somit schnell aufgesetzt. Etwas mehr Zeit beansprucht dann die Parametrierung der einzelnen Komponenten, sodass die Charakteristik der realen Bauteile korrekt wiedergegeben wird.

Wichtigster Schritt aber ist die Kalibrierung des Modells mit Messdaten. Dies schafft Vertrauen in das Modell und ermöglicht es quantitative Aussagen mit der Simulation zu treffen. Und dies ist für die Auslegung der Rückkühlung eine wichtige Voraussetzung.

In diesem Projekt standen uns zeitaufgelöste Messdaten für verschiedene Betriebssituationen zur Verfügung, sodass eine nahezu ideale Kalibrierung de Modelle gelungen ist.

Mit dem kalibrierten Modell haben wir dann eine Simulationsstudie durchgeführt, um die optimale Auslegung des Rückkühlers zu finden. Nach der grundlegenden Dimensionierung der Rückkühlung kamen in der Diskussion mit dem Kunden dann noch zahlreiche Detailfragen auf. Denn auch bei diesem kleinen System gibt es viele Freiheitsgrade, die die Performance der Rückkühlung beeinflussen:

• Volumenstrom der Pumpen
• Temperatur von Produkt und Umgebung
• Größe der Wärmeübertrager
• optionale Kälteanlage

Damit nicht zu viel Zeit in Abstimmungsprozessen verloren geht, haben wir dem Kunden kurzerhand das Simulationsmodell über unsere Web-Plattform TLK Energy Apps zur Verfügung gestellt.

So konnte unser Kunde dann selbst die Detail-Simulationen durchführen und die Ergebnisse intern mit Hilfe anschaulicher Grafiken zu Diskussion stellen.

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