Prozesstanks für die Industrie

Wärmetauscher an Prozesstanks werden in verschiedenen technologischen Prozessen eingesetzt – unter anderem bei der Wärmebehandlung von gelagerten oder gemischten Produkten. Diese Tanks finden Verwendung in der Lebensmittel-, Chemie-, Petrochemie- und Pharmaindustrie.

Diese Tankwärmetauscher werden zum Heizen, Kühlen und zur Temperaturregelung in technologischen Prozessen wie Pasteurisierung, Fermentation, Maischeverflüssigung, Kochen, chemischer Synthese und Temperierung eingesetzt. FME Food Machinery Europe Sp. z o.o. ist seit 2007 in Polen als Hersteller von Maschinen, Anlagen und Prozesslinien für die Lebensmittelindustrie – insbesondere für die Obst- und Gemüseverarbeitung – tätig.

Automatisierung der Produktion von Rohrbündelwärmetauschern für Prozesstanks

1. Anwendung von Wärmetauschern in Tanks

Wärmetauscher an Prozesstanks werden in verschiedenen technologischen Prozessen eingesetzt – unter anderem bei der Wärmebehandlung von gelagerten oder gemischten Produkten. Diese Tanks finden Verwendung in der Lebensmittel-, Chemie-, Petrochemie- und Pharmaindustrie. Die Wärmetauscher dienen der Erwärmung, Kühlung und Temperaturregelung in Prozessen wie Pasteurisierung, Fermentation, Maischeverflüssigung, Kochen, chemischer Synthese und Temperierung. FME Food Machinery Europe Sp. z o.o. ist seit 2007 in Polen als Hersteller von Maschinen, Anlagen und Prozesslinien für die Lebensmittelindustrie, insbesondere für die Obst- und Gemüseverarbeitung, tätig.

Die kontinuierliche Verbesserung der Qualität unserer Produkte und Dienstleistungen erfordert Investitionen in neue technologische Lösungen, um Kundenerwartungen zu erfüllen, neue Märkte zu erschließen und Wettbewerbsvorteile zu erzielen. Daher hat das Unternehmen beschlossen, die Produktion von Prozesstanks für die Lebensmittelindustrie zu optimieren, insbesondere für Produktionslinien zur Herstellung von Getränken, Säften, Ketchup, Fruchtpürees, Konfitüren, Süßwarenfüllungen, Fruchtmousses, Schokolade und Sirupen. Prozesstanks gehören zu den am häufigsten verwendeten Geräten in der Lebensmittelproduktion, und die Lebensmittelindustrie hat einen stetigen Bedarf an innovativen Produkten und technologischen Lösungen. Aufgrund der Art der Prozesse können Tanks als Lager, Puffer oder für thermische Prozesse eingesetzt werden. Der Bedarf an Tanks zum Mischen, Erhitzen, Kühlen, Warmhalten oder Lagern von Medien entsteht in verschiedenen Phasen des technologischen Prozesses. Daher sind Prozesstanks ein wesentlicher Bestandteil der meisten Produktionslinien in der Lebensmittelindustrie.

2. Computersimulation von Spulenkomponenten in einem Prozesstank

Dank des Einsatzes der SolidWorks CAD-Software im Konstruktionsbüro wurden eine Reihe von Computersimulationen durchgeführt, um die Zeit für die Entwicklung des optimalen Querschnitts der geformten Spule zu verkürzen und die Herstellungskosten zu senken.

Die Annahmen, die für die Computersimulationen zur Ermittlung des optimalen Spulenprofils zugrunde gelegt wurden, umfassten: Druckbeständigkeit von mindestens 6 bar, Eignung für die plastische Formgebung (Walzen und Aufwickeln auf die Tankwand), geringe Empfindlichkeit gegenüber Druck- und Temperaturänderungen, hohe Beständigkeit gegen Kesselsteinbildung, geringer Strömungswiderstand des Heiz- und Kühlmediums, hohe Korrosionsbeständigkeit und geringes Gewicht. Diese Computersimulationen führten zum optimalen Spulenquerschnitt.

3. Forschung und Entwicklung, interne Forschung

Dieser Querschnitt wurde mittels Abkantbiegen hergestellt und anschließend manuell WIG-geschweißt. Das so präparierte Bauteil wurde einer hydrostatischen Prüfung unterzogen, bei der Verformung und Druckbeständigkeit ermittelt wurden. Unsere Untersuchungen zeigten, dass die entworfene Spulenform dem Betriebsdruck bei einer Umgebungstemperatur von 140 bar standhielt, ohne zu versagen. Der Prüfdruck war durch die Leistungsfähigkeit des verwendeten hydrostatischen Prüfgeräts begrenzt, das für die Durchführung der Prüfungen unter realen Druckbedingungen eingesetzt wurde. Für die Prüfungen wurde eine 1200 mm lange Spule gefertigt.

Zum Abschluss des Forschungsprojekts wurden die im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsarbeit entwickelten Konstruktions- und Technologielösungen unter realen Bedingungen getestet. Hierfür wurde eine automatisierte Fertigungsstation für die Produktion einer Serie von Prozesstanks entwickelt und konstruiert.

4. Entwurf einer automatisierten Station zur Herstellung von Wärmetauschern in Form einer Spule auf den Mantelflächen von Prozesstanks.

Die Hauptannahme dieses Projekts war, dass in einem einzigen technologischen Zyklus die Spule geformt, gewalzt und gleichzeitig mit der Außenhülle verschweißt wird.

Die Hauptkomponenten dieser Station sind: eine Säule mit Ausleger, an deren Arm eine Schweißeinheit mit zwei WIG-Schweißbrennern und Drahtvorschub zum Schmelzbad montiert ist; eine Walzenformmaschine zur Kanalformung, die an der Säule mit Ausleger befestigt ist; und ein Aktor mit einstellbarer Druckkraft. Der Aktor verfügt über eine Druckwalze am Ende der Kolbenstange, die den Spulenkanal an die Außenfläche des Tankmantels mit vorgegebenem Durchmesser anpasst. Dadurch passt sich die Form des Spulenkanals automatisch dem Außendurchmesser des Tanks an. Das Spulenprofil wird mithilfe eines Walzwerks geformt. Die Walzenformmaschine der Schweißstation enthält fünf Walzenpaare, die jeweils von einem Getriebemotor angetrieben werden. Die gewünschte Form des Spulenprofils wird durch das Durchlaufen der Walzenpaare nacheinander erreicht, wodurch die plastische Verformung zunimmt und die korrekte Kanalgeometrie entsteht. Der Auslegerarm der Schweißstation ist schwenkbar auf einem Schlitten montiert, der über ein Drehlager auf der ersten Schiene läuft. Die Drehung von Säule und Ausleger erfolgt über ein Getriebe und einen Servoantrieb. Die zweite Schiene trägt eine aktive und eine passive Rollenlagerung zur Aufnahme von Tanks mit Durchmessern von 1200 bis 3200 mm. Die aktive Rollenlagerung bewirkt eine Drehung des Tanks in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit. Die Schweißstation ist mit einem Schwenk- und Neige-Positionierer zur Herstellung von Coils auf Tanks mit Durchmessern von 780 bis 1200 mm ausgestattet. Ein Gasverteiler ist an der Walzwerksseite montiert, um die Wurzel des Coilprofils zu schützen. Er enthält außerdem ein Erdungselement zum Schließen des Schweißstromkreises. Der Flachstahl des aufgewickelten Coils ist vor dem Walzwerk montiert. Geschweißt wird im WIG-Verfahren unter Schutzgasatmosphäre. Stickstoffbildnergas schützt die Schweißwurzel im Coilprofil an der Schweißstelle. Der Tank wird in Rotation versetzt, und die Brennerpositionen werden zusammen mit der Säule, dem Ausleger und dem Walzwerk verändert, die sich geradlinig und synchron mit der Tankdrehung bewegen. Zwei Geräte der Firma Closs Polska mit einem maximalen Schweißstrom von 500 A dienen als Stromquellen für das WIG-Schweißen. Diese Geräte gewährleisten eine konstante Lichtbogenlänge zwischen Schmelzbad und Brenner, unabhängig von der Präzision der Tankwandung. Diese Länge hängt von der Spannung während des Lichtbogens ab: Je länger der Lichtbogen, desto höher die Spannung. Dieses Signal wird an die SPS gesendet, die über einen entsprechenden Algorithmus ein Steuersignal an den Servoantrieb überträgt. Dieser bewegt den Brenner und hält so die gewünschte Lichtbogenlänge aufrecht. Während der Herstellung der Wicklung an der Außenfläche der Tankwandung muss die SPS-Steuerung die Drehzahl des Tanks mit der Lineargeschwindigkeit des Säulen- und Auslegerwagens, dem Säulen- und Auslegerwinkel, der Kanalformgeschwindigkeit, der Kanalvorschubgeschwindigkeit auf die Tankwandung und der Brennerleistung synchronisieren.

5. Tanks mit Wärmetauschern an der Außenfläche der Hülle, hergestellt auf einer Roboterstation.

Die in dieser Anlage gefertigten Wärmetauscher gewährleisten eine hohe Wiederholgenauigkeit und Qualität der gesamten Prozessanlagen und minimieren gleichzeitig die Nachteile des manuellen Schweißens. Dank der optimalen geometrischen Abmessungen der geschweißten Spule kann diese sowohl mit hohem als auch mit niedrigem Druck betrieben werden. Durch die Fertigung des Wärmetauschers auf der Prozessbehälterwand bleibt die Innenfläche des Behälters intakt und weist eine Rauheit von Ra 0,8 µm auf. Diese Lösung ermöglicht die Verwendung des Halbzeugs (Flachstange) zur Herstellung einer gleichmäßigen Spule mit einer Länge von bis zu 300 Metern. Die Anwendung optimaler Schweißparameter, abhängig von der Wandstärke des Behälters, der Profilstärke der Spule und der Schweißgeschwindigkeit, ermöglicht die Herstellung wiederholgenauer Schweißverbindungen aus den Werkstoffen AISI 316L und AISI 304 mit hoher Korrosionsbeständigkeit, geringer Wärmeeinflusszone, hoher Schlagfestigkeit und der Möglichkeit, höhere Drücke für Heiz- oder Kühlmedien zu verwenden. Darüber hinaus verstärkt die auf der Außenfläche des Behälters geschweißte Spule die Struktur, da sie aus einem einzigen, nicht überhitzten Materialstück mit geringem Schweißverzug besteht. Daher können für die Hülle dünnere Bleche verwendet werden, wodurch die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Heiz- oder Kühlmedium und der Flüssigkeit im Inneren des Tanks erhöht wird.

Die so konstruierte technologische Station wurde am 8. Mai 2020 zur Patentanmeldung Nr. P433821 eingereicht.

Eine Reihe von Tanktypen mit einem auf beiden Seiten an den Tankseitenmantel geschweißten Spulenmantel an einer automatisierten Station

Die in der Tabelle angegebenen Werte können je nach Tankkonstruktion variieren.

Die obigen Daten beziehen sich auf einen Spulenhub von 150 mm, was aus technologischen Gründen den Mindesthub darstellt.

Es ist möglich, eine Spule mit einem Mantelhub von mehr als 150 mm sowie mit einer dickeren Isolierung von 100 oder 150 mm herzustellen.

Es ist möglich, eine Heizschlange am Tankboden zu installieren, jedoch nur, wenn der Boden konisch geformt ist. Diese Ausführung wird individuell kalkuliert.
Andere Tankgrößen, Ausführungen mit Rührwerk, Düsenanordnungen und weitere Anforderungen sind ebenfalls erhältlich und werden individuell kalkuliert.