Eiswasserkühlung unter 2 °C

Plattenwärmetauscher, kurz PHE, haben sich in der industriellen Prozesskühlung als Standardlösung durchgesetzt. Der Grund ist zunächst ein wirtschaftlicher: Sie kühlen Prozesswasser mit vergleichsweise niedrigen Investitionskosten, kompakter Bauweise und einem gut etablierten Lieferantenmarkt. Wer jedoch Wasser-Austrittstemperaturen von 1 °C oder 0,5 °C benötigt, verlässt diesen Komfortbereich. Dort wird der PHE zur regelungstechnisch aufwendigen, im Schadensfall kostspieligen Risikotechnologie. Genau hier setzt HTT AG mit Systemen an, die für diesen Temperaturbereich konstruiert wurden: nicht nachträglich abgesichert, sondern von Grund auf ausgelegt.

Der PHE ist kein schlechtes System, er ist ein System, das für einen bestimmten Temperaturbereich optimiert wurde und außerhalb davon an konstruktive Grenzen stößt. Seine Verbreitung verdankt er vor allem dem Preis: Bei Wasser-Austrittstemperaturen von 2 bis 3 °C liefert er akzeptable Wärmeübergangskoeffizienten zu Anschaffungskosten, die spezialisierte Systeme in diesem Segment zunächst nicht erreichen. Hinzu kommen eine gut ausgebaute Servicelandschaft und die Verfügbarkeit standardisierter Ersatzteile.

Für Prozesse, die mit 2 bis 3 °C Austrittstemperatur auskommen, ist der PHE damit eine wirtschaftlich nachvollziehbare Entscheidung. Die Frage ist, ob die auf dem Papier günstigere Lösung über die gesamte Anlagenlebensdauer tatsächlich die wirtschaftlichere ist, und ob sie das auch noch ist, wenn die geforderten Prozesstemperaturen unter die 2-°C-Marke sinken.

Der Satz klingt selbstverständlich. Seine Konsequenzen für den Anlagenbetrieb sind es nicht. Wenn die geforderte Wasser-Austrittstemperatur auf 1 °C oder 0,5 °C sinkt, muss das Kältemittel auf der Gegenseite der Übertragungsplatten zwangsläufig unter 0 °C arbeiten. Lokale Eisbildung auf der Plattenoberfläche ist dann kein Ausnahmeszenario, sondern eine physikalische Zwangsläufigkeit.

Was folgt daraus in der Praxis?

• Eine Eisschicht auf der Wärmeübertragungsfläche senkt den Wärmedurchgangskoeffizienten deutlich. Die Anlage verliert Effizienz, ohne dass es sofort auffällt.
• Gefrierendes Wasser dehnt sich aus. Die entstehenden mechanischen Spannungen belasten die Plattengeometrie und die Dichtungen.
• Im Schadensfall reißen die Platten. Kältemittel und Prozessmedium vermischen sich. Die Anlage ist wirtschaftlich irreparabel.

Herstellerseitig schreiben PHE-Spezifikationen deshalb vor: Die Wassertemperatur auf der Plattenseite darf niemals unter 0,5 °C fallen. Die Auslegungstemperatur liegt typisch bei 1 °C, und die Saugdruckregelung muss mit einer Genauigkeit von 0,25 °C arbeiten. Das setzt einen vollständigen Regelkreis voraus: Temperaturregelung, Heißgasabtauung, Durchflussregelung auf der Wasserseite, Regelventile, Pilotventile, Magnetventile und zusätzliche Absperrventile, je nach Kapazität. Hinzu kommen Planungs-, Montage-, Verdrahtungs- und Programmierungskosten, die in keinem Listenpreis stehen.

Was als schlanke Lösung kalkuliert wurde, wächst im Engineering-Prozess zu einem regelungstechnisch komplexen System heran. Die Kostenersparnis gegenüber einer spezialisierten Technologie schmilzt mit jeder zusätzlichen Steuerkomponente.

Der direkte Preisvergleich zwischen PHE und dem BUCOdelot Falling Film Chiller endet in der Regel beim Anschaffungspreis, und dort wirkt der PHE günstiger. Die Vollkostenrechnung sieht anders aus.

Regelung und Investition. Bei einem PHE inklusive vollständigem Regelungssystem ergeben sich je nach Kälteleistung folgende Gesamtkosten:

In jedem dieser Fälle macht das Regelungssystem einen erheblichen Anteil der Gesamtkosten aus, in manchen Leistungsklassen fast so viel wie der Verdampfer selbst. Der BUCOdelot Falling Film Chiller liegt über alle Leistungsklassen von 100 kW bis 1.800 kW nachweislich darunter, weil er im Wesentlichen Absperrventile an Saugleitung und Flüssigkeitszufuhr benötigt.

Pumpenleistung und Betriebskosten. Ein PHE erfordert eine Wasserpumpe mit mehr als 5 m Wassersäule Förderhöhe. Der BUCOdelot kommt mit weniger als 2,5 m Wassersäule aus. Das erlaubt deutlich kleinere Pumpen, senkt den Stromverbrauch im Dauerbetrieb und reduziert die Anlagenkomplexität spürbar. Dazu kommt der Druckverlust auf der Wasserseite: PHE erreichen 0,5 bis 1,0 bar, der BUCOdelot lediglich ~0,3 bar.

Dichtungen und ihre Schwachstellen. PHE-Dichtungen großer Einheiten kosten rund 7.500 € und müssen regelmäßig ausgetauscht werden. Was weniger bekannt ist: Gummidichtungen reagieren empfindlich auf Ozon, wie es etwa Elektromotoren und Lichtbogenschweißarbeiten erzeugen. Organische Lösungsmittel, Säuren, Hitze und UV-Strahlung greifen das Material an und führen zu Rissbildung. In Produktionsumgebungen, in denen diese Einflüsse nicht vollständig ausgeschlossen werden können, ist das ein systemimmanentes Risiko, das bei der Planung selten in die Gesamtbilanz eingerechnet wird. Der BUCOdelot arbeitet ohne Dichtungen.

Wartung. PHE benötigen regelmäßige Reinigung. Der BUCOdelot ist ein offenes, druckloses System, das jederzeit von zwei Seiten zugänglich ist, ohne Druckentlastung, ohne aufwändige Demontage. Der Aufwand für Inspektion und Reinigung ist deutlich geringer. Jede ungeplante Inspektion beim PHE ist Produktionsstillstand.

HTT AG legt auf Anfrage beides aus, den PHE mit vollständigem Schutzsystem und die spezialisierte Alternative, und stellt die Zahlen nebeneinander. Die Entscheidung gehört dem Kunden, nicht dem günstigeren Listenpreis.

HTT AG entwickelt Wärmeübertragungssysteme, die konstruktiv für den Betrieb nahe des Gefrierpunkts ausgelegt sind, nicht nachträglich durch Controls abgesichert.

BUCOdelot Falling Film Chiller

Der BUCOdelot wurde für Wasser-Austrittstemperaturen von 0,5 °C bis 1 °C entwickelt. Das Prozesswasser fließt als dünner, gleichmäßiger Film über gekühlte Edelstahlflächen. Eine kontrolliert dünne Eisschicht, die beim PHE den Betrieb gefährdet, verbessert hier den Wärmeübergang, statt ihn zu blockieren. Das System arbeitet mit der Physik, nicht gegen sie.

Ein Vergleich, der das konkret belegt: Im BUCOdelot-Betrieb bildet sich eine Eisschicht von rund 6 mm. In konventionellen Coil-in-Tank-Systemen wächst die Eisdicke auf 30 mm und mehr, was die wirksame Übertragungsfläche auf ein Fünftel reduziert und die Schmelzleistung kontinuierlich verschlechtert, besonders bei unregelmäßigem Rücklauf von der Prozessseite. Beim BUCOdelot bleibt die Eisoberfläche rund fünfmal größer und damit konstant leistungsfähig.

Gleichzeitig liegt die Verdampfungstemperatur bei nur −3 °C statt −10 °C beim konventionellen Eisbankverfahren, ein Unterschied von 7 K, der sich direkt in niedrigeren Energiekosten über die gesamte Betriebszeit niederschlägt.

Ein wichtiger Klarstellungspunkt: Der Wärmeübergangskoeffizient, der U-Wert, ist bei PHE und BUCOdelot vergleichbar. Beide Systeme liefern eine hohe Wärmeübertragungsleistung. Die Unterschiede liegen nicht in der thermischen Qualität, sondern in Betriebsaufwand, Regelungskomplexität, Wartbarkeit und Gesamtkosten. Wer sich für den BUCOdelot entscheidet, erkauft sich diese Vorteile nicht durch eine schlechtere Wärmeübertragung.

Das System ist vollständig aus Edelstahl gefertigt, arbeitet drucklos, ist jederzeit von zwei Seiten zugänglich und benötigt keine Demontage für Reinigung oder Inspektion. Die gesamte Kältemittelfüllung beträgt nur 25 % der Menge eines vergleichbaren Coil-in-Tank-Systems, was Kosten, Gefahrenpotenzial und Betriebsrisiko reduziert.

Ice Bank / Eisspeicher

Der Eisspeicher speichert Kälteenergie als Eis und gibt sie bei Bedarfsspitzen als Eiswasser mit Temperaturen von 0 bis 1 °C ab. Das ist Auslegungsstandard, kein Grenzfall. Typische Einsatzbereiche: Teigkühlung in Großbäckereien, Rohmilchkühlung in Molkereien, Prozessabkühlung in der Pharmaindustrie sowie Spitzenlastabdeckung in der Klimakälte.

Ein wirtschaftlicher Vorteil, der im Direktvergleich mit dem PHE oft unterschätzt wird: Der Eisspeicher koppelt die Kälteerzeugung von der Kühlleistungsabnahme. Die Kältemaschine lädt den Speicher in Schwachlastzeiten mit niedrigerem Strombedarf und besseren Energietarifen. Die Spitzenlast wird aus dem Speicher gedeckt, ohne dass die Kältemaschine entsprechend überdimensioniert werden muss. In der Praxis bedeutet das: kleinere Kältemaschine, niedrigere Betriebskosten, stabilere Prozesstemperaturen auch bei schwankenden Lastprofilen.

Pillow Plate Wärmeübertragungssysteme

Pillow Plates sind strukturierte Doppelplatten mit integrierter Kältemittelführung, verbaut als Behältermantel, Einbaudecke oder hängende Wärmetauscher direkt im Tank. Sie kühlen Produkte und Prozessmedien präzise auf Temperaturen nahe 0 °C, ohne die Einfrierrisiken, die einen PHE in diesem Bereich zum Wartungsfall machen.

Pillow Plates werden bei HTT AG individuell auf die Behältergeometrie und die Prozessanforderungen des Kunden ausgelegt. Größe, Wandstärke, Kältemittelführung und Druckverlust werden berechnet, nicht geschätzt. Das erlaubt eine Temperaturführung, die im Direktvergleich zu standardisierten PHE-Lösungen deutlich präziser ist, relevant überall dort, wo enge Temperaturtoleranzen Produktqualität und Haltbarkeit direkt beeinflussen.

Die Anforderung an Prozesswassertemperaturen unter 2 °C ist kein Exotenthema. Sie betrifft eine Reihe von Industrien, in denen Produktqualität und Prozesssicherheit direkt von der Kühltemperatur abhängen.

Backwarenproduktion: Teig erwärmt sich durch Reibung während des Knetprozesses. Um die Glutenstruktur zu erhalten und die Hefe nicht zu aktivieren, muss die Teigtemperatur präzise kontrolliert werden. Das gelingt nur mit Prozesswasser nahe 0 °C.

Molkerei und Milchverarbeitung: Rohmilch muss nach der Annahme innerhalb definierter Zeitfenster auf unter 4 °C, in manchen Prozessen auf unter 2 °C, abgekühlt werden, um Keimwachstum zu verhindern und Haltbarkeit zu sichern. Eiswasserkühlung ist hier kein Premium, sondern Prozessvoraussetzung. BUCOdelot-Systeme sind in Molkereien und auf Höfen seit Jahrzehnten im Einsatz.

Fisch- und Meeresfrüchteverarbeitung: Frischware verdirbt schnell. Kühltemperaturen nahe 0 °C sind in vielen Prozessschritten gesetzlich oder durch Qualitätsstandards vorgeschrieben. Eisspeicher, die kontinuierlich Eiswasser auf 0 bis 1 °C bereitstellen, sind in dieser Branche etabliert. Ein relevanter Aspekt dabei: Konventionelle Coil-in-Tank-Systeme arbeiten häufig mit galvanisiertem Material, das nach europäischen Lebensmittelrichtlinien nicht zugelassen ist. BUCOdelot-Systeme bestehen vollständig aus Edelstahl.

Pharmaindustrie: Reaktionskühlung, Kristallisationsprozesse und die Temperaturführung sensibler Wirkstoffe erfordern präzise Prozesswassertemperaturen, die ein Standard-PHE ohne erheblichen Steuerungsaufwand nicht dauerhaft liefern kann.

Die Technologieentscheidung beginnt nicht beim Systemvergleich, sondern bei einer einzigen Frage: Welche Wasser-Austrittstemperatur verlangt Ihr Prozess tatsächlich?

Wer 3 °C benötigt und mit einem PHE wirtschaftlich gut aufgestellt ist, wird das in einem ehrlichen Gespräch mit HTT AG genauso hören. Wer 1 °C oder 0,5 °C braucht, sollte die Gesamtbilanz rechnen: Investitionskosten plus Regelungssystem plus Dichtungswartung plus Pumpenenergie plus Betriebsrisiko über die Anlagenlebensdauer. Eine Technologie, die für genau diesen Temperaturbereich konstruiert wurde und dabei thermisch gleichwertige Leistung bei deutlich geringerem Aufwand liefert, ist über die Gesamtbetriebsdauer die wirtschaftlichere und zuverlässigere Entscheidung.

Beschreiben Sie uns Ihre Prozessanforderungen. Wir sagen Ihnen, welches System für Ihren Temperaturbereich die belegbar bessere Auslegung liefert.