Verbessern den Wärmeübergang

Dipl.-Chem. Jürgen Deibel, Dipl.-Ing.Herbert Falk

Bei der Auslegung von Wärmeübertragern ist die erste Frage immer, welches Produkt durch die Rohre und welches durch den Mantelraum fließen soll. Für viele Systeme wird die Wahl bereits durch Druck, maximalen Druckabfall oder Temperatur vorbestimmt. Häufig schreiben auch die Reinigungsmöglichkeiten oder der geringe Massenstrom (dadurch oft mehrere Rohrdurchgänge) vor, welches Produkt durch die Rohre fließen muß. In der Regel sind es die viskosen und temperaturempfindlichen Produkte, bei Luftkühlern ist dies grundsätzlich der Fall. Unter solchen Bedingungen ist man fast immer mit einer schlechten Fließcharakteristik konfrontiert. Dies drückt sich wiederum durch niedrige ai-Werte (Wärmeübergangskoeffizient-Rohrinnendurchmesser) aus und bedeutet große Wärmeübertrager mit mehreren Rohrdurchgängen. Ist das Medium zusätzlich noch temperaturempfindlich (neigt z. B. zum Cracken oder Kristallisieren), so können niedrige ai-Werte eine Beschleunigung des thermischen Fouling zur Folge haben.

Bisher hat man das Problem der laminaren Rohrströmung dadurch kompensiert, daß man große Wärmeübertrager mit großen Foulingfaktoren gebaut hat. Dies macht jedoch ein regelmäßiges Reinigen der Apparate erforderlich. Kommen zusätzlich noch andere Faktoren, beispielsweise Platzprobleme, hinzu, bedeutet dies in einigen Fällen, daß eine Auslegung des Wärmeübertragers so nicht möglich ist. Viele dieser Probleme lassen sich durch den Einsatz von radial mischenden HiTran®-Systemen in Rohrbündelwärmeübertragern lösen. Mit HiTran-Elementen kann man Rohrbündelwärmeübertrager optimieren und damit u. a. eine Kapazitätserweiterung ohne neuen Apparat realisieren. Durch Minimieren der Foulingschicht wird die betriebliche Standzeit erheblich verlängert. Außerdem ist eine Produktverbesserung möglich, da mit kleineren Temperaturgradienten gefahren werden kann und somit Produktschädigung durch Überhitzen an der Rohrwand vermieden wird.

Der nachträgliche Einbau von HiTran-Elementen zur Verbesserung des Wärmeüberganges in Rohrbündelwärmeübertrager ist eine wirtschaftlich günstige Möglichkeit, den Durchsatz zu erhöhen, Betriebskosten zu reduzieren und längere Anlagenfahrzeiten zu erreichen. Folgende Verbesserungen können mit HiTran-Systemen beim nachträglichen Einbau erreicht werden:

• höhere Wärmeübertragung,

• kleinere Temperaturgradienten,

• weniger Verschmutzung und daher geringere Wartungskosten,

• längere Standzeiten,

• bessere Produktqualität und

• verbesserte „turn-down“ Eigenschaften.

Bei Neuanlagen spricht dagegen hauptsächlich die Flexibilität der Anlage für die Einplanung von HiTran-Elementen. Die wichtigsten Vorteile sind hier:

• kleinere Abmessungen und damit geringeres Gewicht,

• geringerer Platzbedarf,

• geringere Anschaffungs- und Wartungskosten,

• hält Auslegungsleistung aufrecht sowie

• längere Apparatestandzeiten.

HiTran-Elemente sind flexible, aus Draht hergestellte Rohreinsätze. Sie werden für verschiedene Rohrgrößen, beginnend bei Rohrinnendurchmessern von 4 mm bis hin zu 150 mm, gefertigt. Als Werkstoffe können fast alle als Draht lieferbaren Materialien verwendet werden. Standard ist Edelstahl 1.4301. Die Rohreinsätze werden speziell für den jeweiligen Anwendungsfall ausgewählt. Zur Verfügung stehen über 36 verschiedene Typen. Neben der Größe unterscheiden sie sich auch in der Packungsdichte. HiTran-Elemente lassen sich durch ihre Flexibilität einfach einbauen und, falls für Inspektionszwecke notwendig, auch einfach ausbauen.

Der Wärmeübergang im Rohrbündelwärmeübertrager wird oft von der Wärmeübergangszahl ai kontrolliert. Die Wärmeübergangszahl ist eine Funktion von Stoffeigenschaften der Fluide, der Geometrie der Wand, des Temperaturfeldes und der Strömungsverhältnisse in Wandnähe. Bedeutung kommt der sich an der Wand bei Turbulenzströmung bildenden Prandtlschen Grenzschicht zu, in der die Strömungsgeschwindigkeit vom Wert Null an der Wand etwa linear ansteigt und Laminarströmung herrscht. Innerhalb der Grenzschicht erfolgt der Wärmetransport als Wärmeleitung, da bei Laminarströmung das wirbelnde Mischen fehlt. Im angrenzenden Turbulenzgebiet findet dagegen ein gutes Durchmischen und ein schneller Temperaturausgleich statt. Somit liegt fast das gesamte Temperaturgefälle des Wärmeübergangs in der Prandtlschen Grenzschicht.

Hier bringen HiTran-Einbauten eine deutliche Verbesserung. HiTran-Einbauten erzeugen eine radiale Komponente, die die sonst an der Rohrwand stehende Flüssigkeit zur Rohrmitte fördert und umgekehrt. Die Scherzone dieser Einbauten ist nur in der Nähe der Rohrwand. Damit wird die Prandtlsche Grenzschicht, die den Wärmeübergang stark negativ beeinflußt, fast völlig eliminiert. Zusätzlich entsteht eine Kolbenströmung und somit eine einheitliche Verweilzeit des Produktes im Apparat. Ein weiterer Vorteil der Matrix-Elemente ist, daß diese nicht fest mit der Rohrwand verbunden (z. B. verschweißt) sind und so keine Auswirkung auf die mechanische Auslegung haben.

Häufig wird behauptet, daß man die Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten bei den HiTran-Matrix-Elementen mit einer Erhöhung des Druckverlustes erkaufen muß. Dies ist so nicht richtig. Es ist sicherlich nicht möglich, mit gleichen Reynoldszahlen zu arbeiten, ohne dabei den Druckverlust zu erhöhen. Jedoch kann man oft bei niedrigeren Reynoldszahlen gleiche oder höhere Wärmeübergangskoeffizienten auf der Rohrseite wie beim Leerrohr erhalten. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, einen 8gängigen auf einen 2gängigen Wärmeübertrager umzubauen, und damit gleichzeitig den Wärmeübergang bei unverändertem oder sogar niedrigerem Druckverlust zu steigern. Durch den Einsatz von HiTran-Elementen ist man nun in der Lage, den Wärmeübergang in bezug auf den maximal zur Verfügung stehenden Druckverlust zu optimieren. Ein Beispiel zeigt Tabelle 1. Hier wurde ein achtgängiger Wärmeübertrager mit HiTran-Elementen auf 4- bzw. 2gängig umgebaut und verschiedene Parameter ins Verhältnis zueinander gestellt. Die Reynoldszahl bei dieser Anwendung ist 10 000 (Index o steht für Leerrohr). Solche Maßnahmen beeinflussen die gesamte Prozeßführung, da Wärmeübertrager häufig die Engpässe in einer Prozeßanlage sind.

Die Beispiele in Tabelle 2 und 3 verdeutlichen das Prinzip der rohrseitigen Verbesserung des Wärmeüberganges. Tabelle 2 zeigt eine Gegenüberstellung von drei Wärmeübertrager, die für den gleichen Einsatz ausgelegt sind. Dabei handelt es sich um einen herkömlichen Leerrohrwärmeübertrager, einen mit HiTran-Matrix-Elementen ausgelegten und einen als Leerrohr berechneten Wärmeübertrager, der die gleichen Dimensionen wie der mit Matrix-Elementen ausgestattete Wärmeübertrager hat. Man erkennt deutlich, daß der mit HiTran-Matrix-Elementen ausgestattete Wärmeübertrager beträchtlich kleiner baut als der traditionelle Leerrohrbündelwärmeaustauscher, aber ohne zusätzlichen Druckverlust. Durch die niedrigen Rohrwandtemperaturen kann man auch von einer Reduzierung des Foulings ausgehen. Der geometrisch ähnliche Leerrohrwärmeübertrager hat eine sehr hohe Leerrohrgeschwindigkeit und damit einen solch großen Druckverlust, daß er nur eine theoretische Bedeutung hat. Das Geheimnis der rohrseitigen Verbesserung liegt in der Fähigkeit, den ai-Wert zu erhöhen, bei gleichzeitiger Senkung der Reynoldszahl.

Dieser Punkt zeigt sich auch an den Luftkühlern in Tabelle 3. Dort hat die Verbesserung des rohrseitigen Wärmeüberganges, bei viskosen Flüssigkeiten, in allen Fällen einen kleineren, einfacheren und damit billigeren Luftkühler gebracht.

In einer Anlage zur Rußherstellung wird ein Gemisch aus Teeröl und Vakuumrückstand aus der Rohöldestillation vor dem Reaktor mit Dampf erhitzt. Die Betriebsdaten (WT-Typ 16-86 BEU mit 62 U-Rohren 3/40, 2-gängig) sind in Tabelle 4 zusammengestellt. Der Wärmeübertrager wurde mit HiTran-Elementen ausgerüstet. Das Ergebnis zeigt Tabelle 5. Aufbauend auf diese positiven Ergebnisse wurden insgesamt 12 Wärmeübertrager mit HiTran-Elementen bestückt.

Nach 4,5 Jahren Betrieb ohne Reinigung der Apparate wurde immer noch ein K-Wert von 204 W/m²K gemessen. Langzeitversuche an der Universität in Bath mit Rohöl (Arabien Crude Light) weisen ebensolche Tendenzen auf.

Der genaue Effekt, warum HiTran-Elemente Fouling in manchen Fällen vermindern, ist noch nicht genau bekannt. Beim thermischen Cracken ist sicherlich der permanente Produkttransport von der Rohrwand weg und die damit erhaltene einheitliche Verweilzeit mitverantwortlich. Auch hat die moderate Fahrweise durch den Einbau der HiTran-Elemente und dem dadurch möglichen, geringeren Temperaturgradienten einen Einfluß (niedrigere Rohrwandtemperaturen).

Die Beispiele belegen, daß HiTran-Elemente den Wärmeübergang in vielen Fällen signifikant verbessern können. Geringere Verbesserungen sind bei Anwendungen mit Wasser und organischen Flüssigkeiten mit sehr niedrigen Viskositäten zu erwarten. Hier kann der Einsatz von HiTran-Einbauten sinnvoll sein, wenn wenig Druckabfall zur Verfügung steht oder sehr kleine Temperaturgradienten gefahren werden müssen. HiTran-Elemente ermöglichen bei kleinen Temperaturgradienten weniger Apparate in Serie als bei herkömmlicher Auslegung.

Sehr interessant ist der Einsatz bei viskosen und hochviskosen, organischen Medien. Bei der Neuanschaffung von Wärmeübertragern können hier die Investitionen durch geringere Austauschfläche und einfachere Bauart optimiert werden.

Des weiteren sollten HiTran-Elemente bei Studien an Wärmeintegrationssystemen mit berücksichtigt werden. Projekte werden häufig erst dann wirtschaftlich, wenn keine zusätzlichen Wärmeübertrager und damit auch keine neuen Rohrleitungen erforderlich sind.

Weitere Informationen cav-301