Verdampfer für verflüssigte Gase: Luftbeheizt, elektrisch, Warmwasser

In tiefkalt verflüssigter Form lassen sich technische Gase in großen Mengen auf kleinstem Raum bevorraten. In sogenannten Kaltvergasern, doppelwandigen Kryo-Tanks, wird das Gas in flüssiger Form unter Druck bei sehr tiefen Temperaturen gelagert. Vor der Nutzung in Prozessen und Anlagen müssen die flüssigen Gase allerdings wieder zurück in den gasförmigen Aggregatzustand überführt werden. Dafür müssen die Gase erwärmt werden und entziehen dabei ihrer Umgebung große Mengen Wärme. Damit die Anlagen nicht vereisen, kommen kryogene Verdampfer für verflüssigte Gase, wie zum Beispiel Stickstoffverdampfer ins Spiel.

großer luftbeheizter Stickstoff Verdampfer mit deutlicher Eisbildung an den Aluminium Längsrippen

Sie versorgen die verflüssigten Gase mit Energie und ermöglichen die nötige Verdampfung. Gasido.de informiert über das Funktionsprinzip und die erhältlichen Arten der Verdampfer. Außerdem erklären wir, wie sich Risiken für nachfolgende Anlagen bestmöglich ausschließen lassen.

Die Themen im Überblick

Aufgabe und Prinzip kryogener Verdampfer

Geht es um die platzsparende Bevorratung technischer Gase, ist die Lagerung in tiefkalt verflüssigter Form besonders interessant. Denn durch die starke Abkühlung gehen die Medien in den flüssigen Aggregatzustand über. Ihr Volumen schrumpft dabei so stark, dass sich aus einem Liter Flüssigkeit etwa 700 bis 800 Liter Gas gewinnen lassen. In kryogenen Lagertanks, den Kaltvergasern, lassen sich die so verflüssigten Gase in großen Mengen lagern. Um die Gase in Anwendungsprozessen zu nutzen, müssen sie dann nach Bedarf wieder in den gasförmigen Zustand überführt werden.

Der Übergang in den gasförmigen Zustand benötigt jedoch viel Energie. Diese bereitzustellen, ist die Aufgabe kryogener Verdampfer-Systeme. Einfach beschrieben handelt es sich dabei um Wärmeübertrager, die kryogene Flüssigkeiten mit Energie versorgen, um diese in den gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Die Entnahmemenge hängt dabei direkt von der Art und der Größe der Verdampfer ab.

Ohne Systeme wie Sauerstoff-, Argon– oder Stickstoffverdampfer bekämen die tiefkalt verflüssigten Gase zu wenig Energie. Sie würden ihren Aggregatzustand nicht ändern und mit sehr niedrigen Temperaturen flüssig in die Anlage strömen. Die Folge wäre ein Temperaturschock, der Rohrleitungen, Armarturen und andere Bauteile zerstören könnte.

Mehrere große Kaltvergaser mit Verdampfern auf Industriegelände werden von einem LKW mit flüssigem Gas gefüllt.

Verschiedene Verdampfer-Arten im Überblick

Ob sich aus einem Tank für tiefkalt verflüssigte Gase 10, 100 oder gar 1.000 Kilogramm Gas pro Stunde entnehmen lassen, hängt von der Art und der Größe der Verdampfer ab.

Dabei gilt: Je höher die Entnahmeleistung sein soll, umso mehr Wärme muss der Übertrager zur Verfügung stellen. Unterscheiden lassen sich dabei autarke Luftverdampfer sowie Verdampfer mit kleinem und großem Wärmevorrat. Die autarken Verdampfer benötigen dabei keine zusätzliche Energie, sie funktionieren über die Wärme der Umgebungsluft. Verdampfer mit Wärmevorrat bedienen sich externer Hilfsenergie um die Gase zu erwärmen.

Autarke Verdampfer-Systeme für Umgebungsluft

Luftbeheizte Verdampfer gehören zu den zuverlässigsten Arten der Wärmeübertrager. Sie bestehen üblicherweise aus einer Vielzahl an Aluminiumrohren, an denen sich mehrere Lamellen oder Längsrippen befinden. Letztere bilden eine große Oberfläche und ermöglichen es, viel Wärme aus der Umgebungsluft zu gewinnen. Die Gasentnahmemenge hängt dabei von der Wärmeübertragerfläche ab. Steigern lässt sie sich mit Ventilatoren, die höhere Luftvolumen über die Lamellen blasen.

Die Leistung dieser Wärmetauscher reicht in kleinen Varianten von 25 m³ Gas/h bis zu 1000 m³ Gas/h bei sehr großen luftbeheizten Verdampfer Modellen.

Eisbildung am luftbeheizten Verdampfer im Dauerbetrieb

Wichtig zu wissen ist, dass die Anlagen bei zu großen Durchflussmengen und zu langen Betriebsphasen vereisen. Denn dabei kühlt die Oberfläche der Wärmeübertrager so stark ab, dass Wasser aus der Luft kondensiert und erstarrt. Je nach Größe des Verdampfers kommt es so zu beträchtlichen Mengen Eis, das sich am Verdampfer festsetzt. Vereist können die Verdampfer teilweise fast das sechsfache ihres ursprünglichen Eigengewichts wiegen.

Das Eis stört auch die Wärmeübertragung und führt dazu, dass sich die kryogenen Flüssigkeiten nicht mehr ausreichend erwärmen können. Da autarke Sauerstoff-, Argon- oder Stickstoffverdampfer ohne Hilfsenergie (autark) arbeiten, lohnen sie sich aber dennoch in vielen Bereichen.

Externe Energieversorgung oder Umschaltfunktion auch bei luftbeheizten Verdampfern möglich

Möglich ist es aber auch, luftbeheizte Verdampfer für verflüssigte Gase mit Zusatzheizelementen (meist elektrisch) oder einer Umschaltfunktion auszustatten. Kommt die letztgenannte Variante zum Einsatz, befinden sich zwei Verdampfer oder Verdampferblöcke parallel. Die Regelung nutzt diese abwechselnd, um die Bauteile zu entlasten und regelmäßig abzutauen.

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KWV-Wärmeübertrager mit kleinem Energievorrat

Diese Verdampfer haben teilweise einen kleinen Wärmevorrat (KWV-Verdampfer). Sie sind damit nicht auf die thermische Energie der Umgebungsluft angewiesen und ermöglichen längere Entnahmezeiten oder höhere Entnahmemengen. Wärme kommt dabei unter anderem aus einer zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit. Diese strömt am Verdampfer vorbei, um diesen mit Energie zu versorgen. Alternativ dazu gibt es auch Systeme, bei denen Dampf am Wärmeübertrager entlang strömt, um die kryogenen Flüssigkeiten zu erwärmen. Die Hilfsenergie kann dabei auch als Abwärme aus anderen thermischen Produktionsprozessen des Betriebs stammen.

Genau wie Luftverdampfer sind aber auch diese Verdampfer-Arten störanfällig. So lässt sich die Verdampfung nicht mehr sicherstellen, wenn die Wärmequelle ausfällt oder die Übertragerflächen vereisen.

Im Falle eines Ausfalls der Hilfsenergie kommt es aufgrund des geringen Wärmevorrats zu einem schnellen Temperaturabfall. Bei fortlaufender Entnahme kann es so binnen einer Minute oder weniger zu potentiellen Schäden an temperaturempfindlichen Bereichen der Anlage kommen.

GWV-Verdampfer mit großem Vorrat an Energie

Verdampfer mit großem Wärmevorrat (GWV-Verdampfer) sind weniger störanfällig. Denn sie können schnell auf ein Wärmereservoir zurückgreifen, wenn die Anlage überlastet oder die Energiequelle ausgefallen ist.

Typische Beispiele für GWV-Verdampfer sind:

Elektrisch beheizte Metallblock-Verdampfer

Hierbei sind Verdampfer und Heizelemente in einem Metallblock untergebracht. Letzterer dient als Wärmespeicher, der sich mit elektrischer Energie auf Temperatur halten lässt.

Warmwasserbadverdampfer

Hier liegen die Wärmeübertrager teilweise in einem Wasserbad, das von Heizkesseln, Dampfanlagen oder elektrischen Heizelementen auf Temperatur gehalten wird. Die Wassermenge bildet hier den Wärmevorrat, der sich bei Anlagenausfall sukzessive abkühlt. Kurzzeitige Ausfälle der Hilfsenergie oder Bedarfsspitzen können so zumindest über kürzere Zeitspannen kompensiert werden.

Stationäre und mobile Verdampfer sind erhältlich

Unterscheiden lassen sich die Verdampfersysteme aber nicht nur nach ihrem Aufbau und der verwendeten Energiequelle. Auch die stationäre oder mobile Ausführung ist ein wesentliches Entscheidungsmerkmal. Während stationäre Lösungen für den dauerhaften Einsatz an einem Ort geeignet sind, lassen sich mobile Verdampfer für verflüssigte Gase sehr flexibel nutzen. Erhältlich sind die Systeme dabei auch in Kombination mit einem mobilen Kaltvergaser, wobei sich dann alle Komponenten in einem Frachtcontainer oder auf einem LKW-Anhänger befinden.

Beispiele für mobile Verdampferanlagen:

Mobiler VerdampferLeistung (m³ Gas/h)Transport
Luftverdampfer autark (ISO-Container)2 x 800Containerchassis
Luftverdampfer mit Ventilatoren2.000LKW-Anhänger
Container-Luftverdampfer2.500Sattelauflieger
Warmwasserbadverdampfer5.000Tieflader / Pritschen-LKW
Hochleistungsverdampfer (ölbefeuert)15.000 Sattelauflieger

Üblicherweise bilden ein mobiler Kaltvergaser und eine autarke Verdampferanlage ein Komplettsystem, das sich sich praktisch überall einsetzen lässt. Dieses wird dann in einem ISO-Container, auf speziellen Aufliegern oder Tiefladern zum Einsatzort transportiert. Diese mobilen kryogenen Lagertanks können abhängig vom spezifischen Gas bis zu 15.000 m³ Gas bevorraten und mit autarken Verdampfern bis zu 1600 m³ Gas pro Stunde bereitstellen.

Einsatzbereiche mobiler Verdampfer

Sinnvoll ist der Einsatz mobiler Verdampferanlagen immer dann, wenn Anwender Gas nur vorübergehend in größeren Mengen benötigen.

So benötigt man beispielsweise temporär größere Mengen Gas:

  • Bei der Inertisierung und Spülung von Anlagen
  • Der Reinigung von Rohrleitungen und Pipelines nach der Sandstrahlung oder Molchen
  • Bei der Inertisierung von Großtanks und Tankschiffen in der Petrochemie
  • Druckproben und Dichtheitsproben von größeren Rohrleitungssystemen
  • Bei der großflächigen Betonkühlung

Beim Einsatz eines Hochleistungsverdampfers kann das Gas wahlweise aus einem stationären Kaltvergaser oder einem Tankwagen direkt in den Verdampfer gepumpt werden. Diese mobilen Verdampfer produzieren mittels Ölbrennner heißes Wasser, welches wiederum die benötigte Wärme für den Verdampfungsprozess liefert. Den benötigten Strom für den Betrieb der Anlage produziert ein eingebauter Stromerzeuger, der Hochleistungsverdampfer ist damit nahezu überall einsetzbar. Der intern verbaute Heizöltank liefert genügend Energie für 15 – 17 Stunden Volllastbetrieb.

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Sicherheitsvorkehrungen für Gasverbrauchsanlagen

Strömen tiefkalt verflüssigte Gase mit zu niedrigen Temperaturen in die Verbrauchsanlage, kann das schwerwiegende Folgen haben. So ist es möglich, dass Rohre und Armaturen aus Metallen direkt verspröden, reißen oder brechen. In der Folge können kryogene Flüssigkeiten auslaufen und gefährliche Gaswolken bilden. Abhängig vom verwendeten Gas kann das wiederum zu Kälteverbrennungen, Bränden oder Erstickungen führen. Um diese Risiken bestmöglich auszuschließen, sind einige Sicherheitsvorkehrungen zu treffen. Welche Maßnahmen dabei zum Einsatz kommen, hängt in der Regel von der Art und der Betriebsweise einer Anlage ab.

Gründe für das Versagen verschiedener Verdampfer-Systeme

Ein typischer Grund: Manuelles Fehlverhalten. Entnehmen Verbraucher zu hohe Gasmengen, können die Verdampfer vereisen. Sie liefern dadurch weniger Energie und verflüssigte Gase strömen nicht ausreichend konditioniert in die Anlage ein. Das Gleiche kann passieren, wenn die Entnahmezeit zu lang ist oder Wärmeerzeuger ausfallen. Ursachen für Probleme und Unfälle sind aber auch:

  • zu geringe Umgebungstemperaturen
  • defekte Ventile
  • zu geringe Wasserstände im Wasserbad
  • ein Ausfall der Ventilatoren

Sicherheitsvorkehrungen am Verdampfer im Überblick

Ganz gleich, ob es sich um Sauerstoff-, Argon- oder Stickstoffverdampfer handelt: Um eine hohe Sicherheit gewährleisten zu können, muss zunächst eine Gefährdungsbeurteilung stattfinden. Einen großen Einfluss haben dabei unter anderem die Art und die Fahrweise der Anlage, das Verhältnis von Betriebsdruck und Gasvolumen sowie die Eigenschaften der verwendeten Gasarten. Demzufolge klassifizieren Experten die möglichen Risken dabei in folgenden Kategorien:

  • PV-Energie (Druck-Volumen-Verhältnis; Risiko von P3 bis P1 absteigend)
  • Gasart (giftig, brennbar, sauerstoffhaltig, inert; Risiko von H3 bis H1 absteigend)
  • Wahrscheinlichkeit der Gefahr (Verdampferart; Risiko von L2 zu L1 zunehmend)
  • Betriebsweise (kontinuierlich, diskontinuierlich; Risiko von S2 zu S1 absteigend)

Abhängig vom Ergebnis der Untersuchung benötigen Anwender dann verschiedene Tieftemperatur-Schutzsysteme. So sind beispielsweise zwei Tieftemperatursensoren mit Abschalteinrichtungen erforderlich, wenn giftige oder brennbare Gase Verdampfer mit einem großen Wärmevorrat durchströmen. Außerdem muss dann auch ein Alarm ertönen, wenn die Hilfsenergiequelle ausfällt.

Übrigens: Unabhängig vom Gas oder von der Verdampferart ist immer ein Stück Rohr aus einem für kryogene Temperaturen geeigneten Material erforderlich. In diesem kann sich das Medium bei kritischen Situationen erwärmen und entspannen, bevor es in die Kundenanlage eintritt. Bestehen sämtliche Rohrleitungen nach dem Verdampfer aus Materialien, die für kryogene Temperaturen geeignet sind, ist keine Tieftemperatur-Abschaltung nötig.

Auslegung und Kosten der Sauerstoff-, Argon- oder Stickstoffverdampfer

Ein kryogener Verdampfer ist immer dann erforderlich, wenn Anwender Gase in tiefkalt verflüssigter Form bevorraten. Zum Einsatz kommen dabei unter anderem:

  • Sauerstoffverdampfer
  • Stickstoffverdampfer
  • Argonverdampfer
  • Wasserstoffverdampfer
  • Methanverdampfer
  • Ethenverdampfer

Die Auslegung der Anlagen erfolgt immer individuell, passend zu den Bedürfnissen der Kunden- und Verbrauchsanlagen. Wichtige Einflussgrößen sind dabei Entnahmemengen, Entnahmezeiten (kontinuierlich oder diskontinuierlich) und Gaseigenschaften (Art, Druck, Temperatur). Ansprechpartner der jeweiligen Anbieter nehmen die individuellen Daten auf und stellen eine passende Anlage zusammen. Sie kalkulieren außerdem ein Angebot. Nehmen Kunden dieses an, kümmern sich die Experten um Lieferung, Installation und den sicheren Betrieb der Anlagen.

Verdampfer kaufen oder mieten: Die Kosten

Üblicherweise bieten Gashändler Tanks und Verdampfer für tiefkalt verflüssigte Gase zur Miete an. Die Kosten richten sich dabei nach der Anlagengröße und der Mietdauer. Da beides sehr unterschiedlich sein kann, lassen sich die Preise nicht pauschal angeben.

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Alternativ zur Mietvariante können Anlagenbetreiber die komplette Systemtechnik auch kaufen. In diesem Fall sind die anfänglichen Kosten höher. Außerdem müssen sie sich als Eigentümer dann selbst um den sicheren Betrieb, die regelmäßige Prüfung der Anlagen und die Unterweisungen kümmern. Da dies sehr aufwendig ist, gibt es in Deutschland überwiegend Verdampfer zur Miete.

Author: Johannes Partz

Johannes Partz

Johannes ist Geschäftsführer bei Gasido. Er ist ein Experte auf dem Gebiet der Industriegase. In der Energiebranche ist er seit 2013. Er war in verschiedenen Positionen in Technik und Vertrieb tätig. Gasido.de wurde im Jahr 2017 gegründet und ist seit Anfang 2020 Teil seiner Unternehmungen.