Die physikalischen Grenzen industrieller Prozesse erweitern

In der heutigen Hightech-Anlagenfertigung sowie im Energie- und Chemiesektor stehen Ingenieure vor beispiellosen Herausforderungen. Von der Unterwasser-Öl- und Gasförderung in bis zu 3.000 m Wassertiefe über Wasserstofftankstellen mit Drücken von bis zu 70 MPa bis hin zu Kernkraftwerken der vierten Generation und überkritischen Kraftwerken mit dem Ziel höchster thermischer Effizienz – herkömmliche Wärmetauscher sind diesen extremen Betriebsbedingungen nicht mehr gewachsen. Traditionelle Rohrbündelwärmetauscher sind zwar technologisch ausgereift, benötigen aber bei Hochdruckmedien exponentiell dickere Wandstärken. Dies führt zu massiven Abmessungen und einem enormen Gewicht, wodurch die strengen Leichtbauanforderungen von Offshore-Anlagen nicht erfüllt werden können. Plattenwärmetauscher hingegen, ob mit Dichtungen oder Schweißnähten, sind zwar kompakt, aber aufgrund der Beschaffenheit ihrer Platten und Dichtungsstrukturen nicht für Drücke über 10 MPa oder extrem hohe Temperaturen geeignet. Vor diesem Hintergrund hat sich der gedruckte Leiterplattenwärmetauscher (PCHE) als maßgeschneiderte Lösung etabliert. Dank seines präzisionsgefertigten Wärmekanaldesigns und zweier zentraler Fertigungsverfahren – chemisches Ätzen und Vakuumdiffusionsschweißen – erzielt der PCHE drei wesentliche Leistungsverbesserungen: extrem hohe Druckbeständigkeit, Toleranz gegenüber extremen Temperaturdifferenzen und eine außergewöhnlich kompakte Bauweise. Aus anwendungstechnischer Sicht präsentiert dieser Artikel eine detaillierte Analyse der Anwendung des von Shanghai Plate Heat Exchange Equipment Co., Ltd. (SHPHE) entwickelten PCHE in wichtigen Anwendungsbereichen wie Wasserstoffenergie und Offshore-Öl und -Gas.

Wasserstoffenergieinfrastruktur: Umgang mit Hochdruck und Vorkühlung

Wasserstoffenergie gilt als die ultimative saubere Energie. Allerdings stellen die intrinsischen physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff – extreme Kompressibilität und hohe Leckageneigung – höchste Anforderungen an die Wärmetauscher. Dank seiner einzigartigen Konstruktions- und Fertigungsmerkmale hat sich der PCHE von SHPHE als zentrale Komponente für die Bewältigung von Hochdruck- und Tieftemperatur-Herausforderungen in Wasserstoffenergieanwendungen etabliert.

Technische Herausforderungen bei Vorkühlsystemen für Wasserstofftankstellen

Um die Reichweite von Brennstoffzellenfahrzeugen zu erhöhen, fordern gängige internationale Betankungsstandards eine Hochdruck-Schnellbetankung mit 70 MPa. Die zentrale technische Herausforderung besteht darin, dass der Wärmetauscher extrem hohen Betriebsdrücken – typischerweise 100 MPa – standhalten und starken Druck- und Temperaturschwankungen widerstehen muss. Der von SHPHE entwickelte PCHE zeichnet sich durch einen maximalen Auslegungsdruck von bis zu 100 MPa aus und bietet somit zuverlässige Sicherheit bei Betankungsvorgängen mit 70 MPa. Seine nahtlose Kernstruktur, die durch Diffusionsschweißen entsteht, schließt das Risiko von Leckagen unter Hochdruckbedingungen praktisch aus.

Materialauswahl:SHPHE verwendet austenitischen Edelstahl 316L oder Nickelbasislegierungen. Diese Werkstoffe weisen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung in Hochdruck-Wasserstoffumgebungen auf und verhindern wirksam, dass Wasserstoffatome in das Metallgitter eindringen und einen Sprödbruch verursachen.

Strukturelle Ermüdungsbeständigkeit:Die Grundmetalldiffusionsverbindung von PCHE verleiht ihm eine außergewöhnliche Dauerfestigkeit. Dadurch kann die Einheit während der gesamten Lebensdauer einer Wasserstofftankstelle Zehntausende von Drucklade-Entlade-Zyklen überstehen.

Offshore-Öl- und Gas-Engineering: Reduzierung des Platzbedarfs auf wertvoller Deckfläche

Auf Tiefsee-FPSOs (Floating Production, Storage and Offloading Units) oder Bohrplattformen sind Platz und Nutzlast äußerst kostenintensive Ressourcen. Jede zusätzliche Tonne Gewicht, die einer Plattform hinzugefügt wird, erhöht die Kosten ihrer schwimmenden Struktur erheblich.

Prozessproblem: Umgang mit Erdgas unter hohem Druck

Erdgas aus Tiefseeförderungen weist einen extrem hohen Druck von 10 bis 20 MPa auf, typischerweise verbunden mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit. Vor dem Transport per Pipeline oder der Verflüssigung muss es entwässert, von schweren Kohlenwasserstoffen befreit und zwischen den Verdichterstufen gekühlt werden. Bei Verwendung eines Rohrbündelwärmetauschers muss dessen Wandstärke extrem groß sein, um dem Druck von 20 MPa standzuhalten. Unter Berücksichtigung des Gewichts im gefluteten Zustand erreicht das Betriebsgewicht der Anlage oft mehrere hundert Tonnen. Dies beansprucht nicht nur wertvolle Deckfläche, sondern stellt auch enorme Herausforderungen an die Schwerpunktregelung und die Tragkonstruktion der Plattform. Die Wärmeübertragungsdichte des PCHE von SHPHE kann bis zu 2500 m²/m³ erreichen, bei einer Gewichtsreduzierung von ca. 80 % im Vergleich zu herkömmlichen Rohrbündelwärmetauschern.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die PCHE-Produkte von SHPHE nicht nur Wärmetauscher mit einfacher Funktion sind, sondern umfassende thermische Lösungen, die speziell für extreme industrielle Anforderungen entwickelt wurden.

Auslegungsdruck und -temperatur:Mit einer Druckbeständigkeit von 100 MPa und einer Temperaturtoleranz von 850°C zeichnet sich der PCHE von SHPHE durch deutliche technologische Vorteile aus.

Fertigungsprozesse:SHPHE beherrscht die Ätz- und Schweißverfahren für eine breite Palette von Werkstoffen – von austenitischen Edelstählen der Typen 304/316L über seewasserbeständiges Titan bis hin zu Nickelbasislegierungen, die für Hochtemperatur- und stark korrosive Medien geeignet sind.

Produktionsmaßstab:Eine einzelne Einheit kann eine Wärmetauscherfläche von bis zu 8.000 m² bereitstellen und demonstriert damit die Fähigkeit von SHPHE, groß angelegte Öl-, Gas- und Energieprojekte zu unterstützen.

Anpassungsdienste:Durch die Nutzung der Flexibilität des chemischen Ätzens kann SHPHE seinen Kunden vollständig kundenspezifische Kanalkonfigurationen anbieten, um das optimale Gleichgewicht zwischen Druckverlust und Wärmeübertragungseffizienz zu erreichen.