DerRohrbündelwärmetauscherist nach wie vor die am weitesten verbreitete Wärmeübertragungsausrüstung in der Prozessindustrie. Seine Dominanz ist kein Zufall-das Design ist robust, die Funktionsprinzipien sind gut verstanden und die Palette der verfügbaren Konfigurationen deckt nahezu jede Kombination von Druck, Temperatur und Flüssigkeitstyp ab. Im Zentrum jedes Rohrbündelwärmetauschers steht das Rohrbündel: die Anordnung aus Rohren, Rohrböden, Leitblechen und Zugstangen, die die thermische und mechanische Leistung der Einheit definiert.
Das Röhrenbündel als System
Das Rohrbündel ist nicht nur eine Ansammlung von Rohren. Es ist einkonstruierte Montagemit voneinander abhängigen Komponenten. Der Rohrboden stützt die Rohre und sorgt für eine Dichtfläche. Die Leitbleche lenken die mantelseitige Strömung und stützen die Rohre gegen Vibrationen. Die Zugstangen und Abstandshalter halten die Prallplattenbaugruppe zusammen. Die Rohre selbst müssen Innendruck, Außendruck, Wärmeausdehnung, Korrosion und Erosion -oft gleichzeitig standhalten.
Jede Komponente muss unter Berücksichtigung der anderen spezifiziert werden. Eine Änderung des Rohrdurchmessers wirkt sich auf die Rohrbodendicke und den Prallplattenabstand aus. Eine Änderung des Materials wirkt sich auf die Konstruktion der Rohr-zu-Verbindungen aus. Eine Änderung der Anzahl der Durchgänge wirkt sich auf die Strömungsverteilung und den Druckabfall aus. Die Auswahl eines Rohrbündels erfordert eine Betrachtung auf Systemebene.
Prinzipien des thermischen Designs
Die thermische Leistung eines Rohrbündels wird durch den gesamten Wärmeübergangskoeffizienten, die Wärmeübertragungsoberfläche und die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz bestimmt. Der Gesamtkoeffizient ist der Kehrwert der Summe der Wärmewiderstände auf der Rohr--Seite, der Rohrwand und der Mantel--Seite.
Der rohrseitige Wärmeübergangskoeffizient ist in erster Linie eine Funktion des Rohrdurchmessers, der Fluidgeschwindigkeit und der Fluideigenschaften. Für turbulente Strömungen liefert die Dittus-Boelter-Gleichung eine vernünftige Schätzung:
Nu=0.023 × Re^0,8 × Pr^n
Dabei ist Nu die Nusselt-Zahl, Re die Reynolds-Zahl, Pr die Prandtl-Zahl und n 0,4 für Heizen und 0,3 für Kühlen.
Der mantelseitige Wärmeübergangskoeffizient ist komplexer. Die Strömung im Mantel ist eine Kombination aus Querströmung über den Rohren und Längsströmung zwischen den Leitblechen. Der Leitblechabstand bestimmt die Geschwindigkeit und den Grad der Turbulenz. Die Strömung durch das Rohrbündel ist nicht gleichmäßig; Um die Prallfenster herum gibt es Bereiche mit hoher Geschwindigkeit und im Rohrbündel selbst eine niedrigere Geschwindigkeit.
Die Rohranzahl-die Anzahl der Rohre, die in einem gegebenen Gehäusedurchmesser untergebracht werden können-ist eine Funktion des Rohrdurchmessers, der Rohrteilung und der Rohranordnung (dreieckig, quadratisch oder gedrehtes Quadrat). Bei einem gegebenen Gehäusedurchmesser bietet eine dreieckige Anordnung die höchste Rohranzahl, während eine quadratische Anordnung einen besseren Zugang zum Reinigen bietet.
Überlegungen zum mechanischen Design
Die mechanische Konstruktion eines Rohrbündels umfasst die Rohrdicke, die Rohrbodendicke, die Prallblechdicke und den Abstand sowie die Verbindung zwischen Rohr- und -Rohrboden. Jedes davon muss so dimensioniert sein, dass es den Betriebsbedingungen standhält.
Die Rohrdicke wird durch den Innendruck, den Außendruck (wenn die Rohre kollabieren können) und den Korrosionszuschlag bestimmt. Bei einem gegebenen Druck und Durchmesser ist die erforderliche Dicke umgekehrt proportional zur zulässigen Spannung. Materialien mit höherer-Festigkeit ermöglichen dünnere Rohre, was die Wärmeübertragung verbessert, aber die Korrosionszugabe verringert.
Die Rohrbodendicke wird durch den Druck auf der Mantelseite- und der Rohrseite-, der Rohrbodengeometrie und dem Rohrlochmuster bestimmt. Der Rohrboden muss dick genug sein, um Leckagen an der Verbindung zwischen Rohr- und -Rohrboden zu verhindern und einer Biegung unter Druck standzuhalten. Bei Hochdruckanwendungen kann der Rohrboden mehrere Zoll dick sein, was zu einer entsprechenden Gewichts- und Kostensteigerung führt.
Der Abstand zwischen den Leitblechen beeinflusst sowohl die thermische Leistung als auch die mechanische Integrität. Ein engerer Abstand zwischen den Leitblechen erhöht die Mantelseitengeschwindigkeit und den Wärmeübertragungskoeffizienten, erhöht aber auch den Druckabfall und das Risiko von Rohrvibrationen. Der Prallplattenabstand beträgt typischerweise 20 % bis 100 % des Gehäusedurchmessers, wobei der optimale Wert vom jeweiligen Design abhängt.
Rohrvibrationen stellen bei Seitenströmungen mit hoher -Geschwindigkeit-ein erhebliches Risiko dar. Die durch die Strömung-induzierten Vibrationen können dazu führen, dass sich die Rohre an den Leitblechen abnutzen, was zu einem Rohrversagen führt. Das Vibrationsrisiko wird anhand der Eigenfrequenz der Rohre und der Anregungskräfte der Strömung beurteilt. Liegt die Eigenfrequenz im Bereich der Erregerfrequenz, muss die Konstruktion geändert werden-entweder durch Reduzierung der freitragenden Spannweite oder durch Änderung des Rohrdurchmessers oder -materials.
Materialauswahl
Die Wahl der Materialien für das Rohrbündel beeinflusst die thermische Leistung, die Korrosionsbeständigkeit und die Kosten. Die Auswahl muss auf den Betriebsbedingungen, den Fluideigenschaften und der erwarteten Lebensdauer basieren.
Rohrmaterialien sind die kritischste Auswahl. Die folgenden sind am häufigsten:
- Kohlenstoffstahl ist für die meisten Anwendungen das Standardmaterial. Es ist kostengünstig-und hat eine ausreichende Festigkeit für moderate Temperaturen und Drücke. Seine Korrosionsbeständigkeit ist begrenzt und es ist nicht für korrosive Flüssigkeiten oder Meerwasserkühlung geeignet.
- Edelstahl (304L, 316L und Duplex-Qualitäten) bietet eine deutlich bessere Korrosionsbeständigkeit als Kohlenstoffstahl. . 304L ist für die meisten chemischen Anwendungen geeignet. . 316L bietet eine bessere Beständigkeit gegen Chlorid-Lochfraß. Duplex-Sorten bieten eine höhere Festigkeit und eine bessere Spannungskorrosionsbeständigkeit. Der Kostenaufschlag gegenüber Kohlenstoffstahl beträgt typischerweise das Zwei- bis Vierfache.
- Kupfer-Nickel-Legierungen (90/10 und 70/30) werden in Meerwasserkühlungsanwendungen verwendet. Sie bieten eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit im Meerwasser und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Die Kosten sind höher als bei Edelstahl.
- Titan wird in den ätzendsten Anwendungen verwendet, einschließlich Meerwasser und chloridhaltigen Flüssigkeiten bei erhöhten Temperaturen. Titan bietet in diesen Umgebungen nahezu vollständige Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion. Die Kosten sind deutlich höher-typischerweise fünf- bis achtmal so hoch wie bei Edelstahl.
Rohrbodenmaterialien werden typischerweise so ausgewählt, dass sie zu den Rohren passen oder mit dem Mantelmaterial kompatibel sind. Der Rohrboden muss dick genug sein, um die Rohre zu tragen und eine Abdichtung an der Verbindung von Rohr-zu-Rohrboden zu gewährleisten.
Bei den meisten Anwendungen handelt es sich bei den Schallwandmaterialien typischerweise um Kohlenstoffstahl. Bei korrosivem Einsatz können die Leitbleche aus dem gleichen Material wie die Rohre oder aus beschichtetem Kohlenstoffstahl gefertigt sein.
Rohr-zu-Rohrbodenverbindungen
Die Verbindung zwischen den Rohren und dem Rohrboden ist entscheidend für die Integrität des Wärmetauschers. Die Verbindung muss ein Austreten von Flüssigkeiten zwischen der Rohr-seite und der Mantelseite- verhindern und dem Betriebsdruck und der Betriebstemperatur standhalten.
Die beiden häufigsten Gelenktypen sind:
- Rollverbindungen entstehen durch Aufweiten der Rohre in die Rohrbodenlöcher. Das Rohr wird mit einem Rollenwerkzeug aufgeweitet, das das Rohr gegen das Loch im Rohrboden verformt. Rollverbindungen eignen sich für moderate Drücke und Temperaturen und sind die häufigste Verbindungsart in Rohrbündelwärmetauschern.
- Schweißverbindungen entstehen durch Verschweißen des Rohres mit dem Rohrboden. Die Schweißnaht sorgt für eine dichte-dichte Abdichtung und ist für hohe Drücke und Temperaturen geeignet. Schweißverbindungen sind teurer als Walzverbindungen, bieten aber eine höhere Zuverlässigkeit im harten Einsatz.
In einigen Anwendungen wird eine Kombination aus Walzen und Schweißen verwendet. -Das Rohr wird gerollt und dann an der Rohrbodenfläche dichtgeschweißt.- Dies sorgt für die mechanische Festigkeit der Walzverbindung und die Dichtheit der Schweißverbindung.
Inspektion und Qualitätskontrolle
Die Herstellung eines Rohrbündels erfordert eine strenge Inspektion und Qualitätskontrolle. Typischerweise werden folgende Inspektionen durchgeführt:
- Die Rohrinspektion umfasst Maßkontrollen, Wandstärkenmessungen und die Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit. Jede Röhre sollte auf Mängel überprüft werden, die ihre Leistung oder Lebensdauer beeinträchtigen könnten.
- Die Inspektion des Rohrbodens umfasst die Überprüfung des Lochdurchmessers und -abstands, die Prüfung der Ebenheit und die Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit. Das Lochmuster sollte zum Design passen, um einen korrekten Rohrsitz zu gewährleisten.
- Die Schweißprüfung umfasst die Sichtprüfung der Schweißnähte und bei kritischen Anwendungen eine zerstörungsfreie Prüfung (Eindringprüfung oder Radiographie). Die Schweißqualität muss den geltenden Vorschriften entsprechen.
- An dem fertigen Bündel werden hydrostatische Tests durchgeführt, um die Integrität der Rohr---Verbindungen zu überprüfen. Der Prüfdruck beträgt typischerweise das 1,5-fache des Auslegungsdrucks.
Retubing vs. Ersatz
Wenn ein Rohrbündel das Ende seiner Lebensdauer erreicht, hat der Betreiber zwei Möglichkeiten: den vorhandenen Wärmetauscher neu zu verrohren oder die gesamte Einheit auszutauschen. Die Entscheidung hängt vom Zustand der Hülle und den Kosten des neuen Bündels im Verhältnis zu den Kosten eines neuen Wärmetauschers ab.
- Eine Neuverrohrung ist sinnvoll, wenn das Gehäuse in gutem Zustand ist und die Kosten für ein neues Bündel weniger als 60 % der Kosten für einen neuen Wärmetauscher betragen. Die Neuverrohrung nimmt in der Regel 20 bis 40 % der Zeit in Anspruch, die für die Installation eines neuen Wärmetauschers erforderlich ist.
- Ein Austausch ist angebracht, wenn das Gehäuse korrodiert oder beschädigt ist oder wenn die Kosten für ein neues Bündel nahe an den Kosten für einen neuen Wärmetauscher liegen. Der Austausch bietet die Möglichkeit, das Wärmetauscherdesign an aktuelle Standards anzupassen und die thermische Leistung zu verbessern.
Abschluss
Das Rohrbündel ist das bestimmende Bauteil des Rohrbündelwärmetauschers. Sein Design bestimmt die thermische Leistung, die mechanische Integrität und die Lebensdauer des Geräts. Die Auswahl des Rohrdurchmessers, des Rohrabstands, der Prallplattenkonfiguration und der Materialien erfordert eine Sicht auf Systemebene, die die Prozessbedingungen, die mechanischen Belastungen und die Wartungsanforderungen berücksichtigt.
Die kundenspezifische Fertigung von Rohrbündeln bietet sich an, wenn Standardkonstruktionen die Prozessanforderungen nicht erfüllen. Die zusätzlichen Kosten sind gerechtfertigt, wenn dadurch die Wärmeübertragung verbessert, die Lebensdauer verlängert oder der Wartungsaufwand verringert wird. Die Entscheidung sollte auf einer Lebenszykluskostenanalyse basieren, die die Anschaffungskosten, die Betriebskosten und die erwartete Nutzungsdauer berücksichtigt.
Die für ein Rohrbündel entwickelten Spezifikationen sollten das Rohrmaterial, die Rohrdicke, den Rohrabstand, die Prallplattenanordnung, den Verbindungstyp zwischen Rohr- und -Rohrboden sowie die Inspektionsanforderungen klar definieren. Die Spezifikation sollte auf die geltenden Vorschriften und Normen verweisen und einen Nachweis der Qualitätskontrolle für alle kritischen Materialien und Schweißnähte erfordern.