Startseite » News (Prozesstechnik) »

Anwenderspezifische Einbauten verbessern den rohrseitigen Wärmeübergang

Mehr Turbulenz
Anwenderspezifische Einbauten verbessern den rohrseitigen Wärmeübergang

Anwenderspezifische Einbauten verbessern den rohrseitigen Wärmeübergang
Bild 4: Graphische Benutzeroberfläche von HiTranSP zur Berechnung von Wärmetauschern mit Turbulatoren
HiTran-Turbulatoren haben sich bei der Lösung vieler betrieblicher Probleme mit Rohrbündelwärmeaustauschern bewährt. Das patentierte System bietet durch die Optimierung der Wärmeaustauscherleistung die Möglichkeit der Erweiterung oder Verbesserung der Produktion und der Reduzierung von Betriebskosten.

Bild 1: Turbulenzeintrag durch das HiTran-Element ? (A) Unbeeinflusste Grenzschichtströmung, (B) Turbulenzeintrag durch den Turbulator

Bild 2: Verstärkungsfaktor (Alphafaktor) als Funktion der Reynolds-Zahl
Bild 3: Typische Strömungs- und Temperaturprofile in einem Glattrohr (A) und einem Rohr, bestückt mit HiTran-Elementen
Bild 4: Graphische Benutzeroberfläche von HiTranSP zur Berechnung von Wärmetauschern mit Turbulatoren
HiTran-Turbulatoren haben sich bei der Lösung vieler betrieblicher Probleme mit Rohrbündelwärmeaustauschern bewährt. Das patentierte System bietet durch die Optimierung der Wärmeaustauscherleistung die Möglichkeit der Erweiterung oder Verbesserung der Produktion und der Reduzierung von Betriebskosten.
Eine Strömung durch glatte Rohre ist für die Wärmeübertragung nicht ideal. Reibung an der Rohrwand und Scherkräfte begrenzen die radiale Bewegung der Flüssigkeit und bewirken eine thermisch uneffektive Grenzschichtströmung. Bild 1 zeigt, wie die laminare wandnahe Strömung (A), hier verdeutlicht durch die rote Tinte, durch die Geometrie des HiTran-Turbulators (B) aufgerissen wird. Duch Fluidaustausch in radialer Richtung wird Flüssigkeit von der Rohrwand kontinuierlich mit Flüssigkeit aus der Rohrmitte vermischt. Dies führt in Folge der erhöhten Turbulenz zu einem wesentlich höheren Wärmeübergangskoeffizienten an der inneren Rohrwand.
Ein Maß für die Verbesserung des rohrseitigen Wärmeübergangs durch den Einsatz der HiTran-Elemente ist der Alphafaktor:
f = f = i(HiTran)/ i(HiTran)/ i(Glattrohr)
Der Alphafaktor ist eine Funktion des Fluidzustandes, der wiederum durch die Reynoldszahl und die Packungsdichte des HiTran-Elements bestimmt wird. In Bild 2 ist dieser Verstärkungsfaktor dargestellt. Den ausgeprägtesten Effekt, mit einem bis zu 20-fach höheren Wärmeübergang im Vergleich zum Glattrohr, erzielt man im Reynolds-Bereich von 200 bis 2300. Für turbulente Strömungen ist jedoch immer noch eine deutliche Verbesserung des rohrseitigen Wärmeübergangs zu beobachten.
Die Grenzkurven des in Bild 2 dargestellten Leistungsbereichs wird durch HiTran-Inserts mit der geringsten (Kurve 2) und der höchsten (Kurve 1) Packungsdichte gebildet. Packungsdichten zwischen den Grenzkurven lassen sich kontinuierlich variieren. Eine Erhöhung der Packungsdichten führt bei konstanter Reynoldszahl zu einem höheren Wärmeübergang. Allerdings muss auch ein höherer Widerstandsbeiwert Zeta in Kauf genommen werden. Durch Modifikation der Ganganzahl im Wärmetauscher kann der rohrseitige Gesamtdruckverlust jedoch unter dem eines Glattrohr-Wärmetauschers liegen. Grundsätzlich wird das HiTran-Element so ausgewählt, dass der gesamte zulässige rohrseitige Druckverlust für eine Erhöhung des Wärmeübergangs nutzbar gemacht wird.
Vorteile durch den Einbau von Turbulatoren
Für Anwendungen, bei denen der Hauptwärmewiderstand auf der Rohrseite liegt, ergibt sich durch den Einsatz der HiTran-Elemente eine deutliche Reduzierung der benötigten Austauschfläche. Stellfläche und Apparategewicht ? oft entscheidende Faktoren bei der Auswahl geeigneter Apparate ? werden gleichermaßen verringert.
Aufgrund des nun höheren Wärmedurchgangskoeffizienten für den Gesamtapparat wird für eine gewünschte Apparateleistung eine wesentlich geringere treibende Temperaturdifferenz zwischen den Prozessströmen benötigt. Hierdurch ergeben sich kleinere Temperaturdifferenzen zwischen Rohrinnenwand und Fluidmitteltemperatur. Die Foulingneigung von temperaturempfindlichen Fluiden an der Rohrwand wird unterdrückt. Die Vermessung des Geschwindigkeitsfeldes im Rohr mittels LDV und anderer optischer Verfahren zeigt eine deutlich erhöhte Turbulenz im wandnahen Bereich (s. a. Bild 1). Die Wandschubspannung, ein Maß für die Unterdrückung des Schichtenwachstums bei Fouling, steigert sich beträchtlich.
Verweilzeitmessungen belegen, dass sich das Strömungsprofil mit dem Einbau von HiTran-Elementen dem einer Pfropfenströmung anpasst (Bild 3) ? ein weiterer Indikator, dass es zu einer verstärkten Durchmischung in radialer Richtung kommt. Die Verweilzeit des Fluids an der Rohrwand wird dadurch beträchtlich verkürzt. Insgesamt ergibt sich eine wesentlich gleichmäßigere Flüssigkeitsverteilung im Rohr wie im gesamten Rohrbündel.
Glattrohr-Wärmeaustauscher weisen oft eine ungleichmäßige Flüssigkeitsverteilung bezüglich der einzelnen Rohrreihen auf. Dieses kann zu lokalen Temperaturerhöhungen führen. CFD-Rechnungen zeigen, dass diese Ungleichverteilung eine Funktion des Druckverlustes im Rohr ist. Als Faustregel gilt, dass eine Erhöhung des Druckverlustes eine gleichmäßigere Flüssigkeitsverteilung zur Folge hat. Da HiTran-Elemente den zulässigen Druckverlust vollständig nutzen, ist im Allgemeinen eine gleichmäßigere Flüssigkeitsverteilung im Rohrbündel festzustellen.
Werden Wärmetauscher ohne Turbulatoren im Übergangsgebiet von laminar zu turbulent betrieben, so stellt sich oft aufgrund des diskontinuierlichen Verlaufs der Wärmeübertragung ein instabiles Regelverhalten ein. Nach dem Einbau von HiTran-Elementen ergibt sich ein kontinuierliches Regelverhalten selbst im An- und Abfahrbetrieb. Im gesamten Strömungsbereich weist der rohrseitige Wärmeübergang eine proportionale Abhängigkeit von der Reynoldszahl auf.
Einsatz in Zweiphasen-Systemen
HiTran-Turbulatoren haben sich nicht nur bei Einphasen-Strömungen, sondern auch in Zweiphasen-Systemen bewährt. Werden die Turbulatoren in Vertikalrohr-Kondensatoren mit Kondensation auf der Rohrinnenseite eingesetzt, so lassen sich auch hier beträchtliche Verbesserungen des Wärmeübergangs feststellen. Besonders bei Mehrstoffgemisch-Kondensatoren sowie bei Kondensatoren mit Inertgasen, bei denen die Kondensation zusätzlich durch den Stofftransportwiderstand an der Phasengrenze kontrolliert wird, zeigt sich, dass die Einbauten den Wärme- und Stofftransport deutlich verbessern. Muss darüber hinaus während der Kondensation latente Wärme aus der Gasphase zur Kühlung abgeführt werden, so kann der Flächenbedarf oft mehr als halbiert werden.
Aufgrund des erhöhten Druckverlustes werden bei diesen Anwendungen die Turbulatoren häufig nicht über die gesamte Rohrlänge eingebaut. Am Austritt des Kondensators ergeben sich aufgrund der geringen Dampfgeschwindigkeiten, der Aufkonzentration von nicht kondensierbaren Gasen und der größeren Kondensatfilmdicke die stärksten Verbesserungen durch den Einsatz der HiTran-Inserts. Für eine genaue Bewertung muss jedes Problem im Einzelnen überprüft werden.
Bei der Verdampfung im Rohr lassen sich verschiedene Bereiche des Wärmeübergangs unterscheiden. Bei Naturumlaufverdampfern liegt die Flüssigkeit am Eintritt im Allgemeinen unterkühlt vor, mit den HiTran-Elementen lässt sich diese ungewollte Zone beträchtlich verkürzen.
Generell wird davon ausgegangen, dass zur Berechnung des Wärmeübergangs im Zweiphasengebiet die Anteile der Zwangskonvektion und des Blasensiedens addiert werden. Falls die Zwangskonvektion dominiert, so ist auch hier mit den Elementen eine deutliche Verbesserung des Wärmeübergangs zu erwarten.
Hydrodynamische Versuche deuten außerdem darauf hin, dass sich auch das Regelverhalten von Naturumlaufverdampfern durch den Einbau von Turbulatoren wesentlich stabilisieren lässt. Schwankungen im Umwälzmassenstrom durch Variation der Füllhöhe werden stark unterdrückt.
Hauptanwendungen
Wie in Bild 1 dargestellt ergeben sich die größten Verbesserungen gegenüber dem Glattrohr für Rohrbündel-Wärmetauscher, die im laminaren und Übergangsbereich gefahren werden. Ölkühler sind ein klassisches Beispiel hierfür. Verfahren, bei denen das Prozessfluid aufgrund großer Temperaturdifferenzen zwischen Wand und Kern zum Fouling neigt, stellen ein weiteres Anwendungsfeld dar. Gerade in jüngster Zeit wurden HiTran-Inserts sehr erfolgreich in Reflux-Kondensatoren und Naturumlaufverdampfern eingesetzt.
Die Turbulatoren werden auch oft zur Effizienzsteigerung oder zum ?Debottle- necking“ von bestehenden Anlagen gewählt. Durch die Bestückung der betroffenen Wärmetauscher kann deren Leistung beträchtlich gesteigert werden.
Auslegung von Wärmetauschern mit HiTran-Elementen
HiTran-Elemente werden in Abmessungen von 4 mm bis 150 mm nach Kundenerfordernissen hergestellt. Als Materialien kommen alle Metalle zur Anwendung. Jeder Turbulator weist durch seine frei wählbare Packungsdichte eine ihm eigene Wärmeübergangs- und Druckverlustcharakteristik auf. Zur Bestimmung dieser maßgeschneiderten Turbulatorgeometrie kann das unter Windows laufende Berechnungstool HiTranSP benutzt werden. Mit der aktuellen Version 1.03 lassen sich jedoch ausschließlich Wärmetauscher für Einphasen-Strömungen berechnen. Nach Eingabe von Geometrie, Prozess und Stoffdaten ermittelt das Programm den mittleren rohrseitigen Wärmeübergang. Randbedingung ist hierbei der maximal erlaubte rohrseitige Druckverlust. Aufgrund dieser Vorgabe wird ein Turbulator mit maximal möglicher Packungsdichte errechnet.
Das Berechnungstool HiTranSP erlaubt den File-Import von HTRI und HTFS Software, der beiden verbreiteten Designprogramme zur Berechnung von wärmetechnischen Apparaten.
cav 438
Dr.-Ing. Peter Drögemüller
Unsere Webinar-Empfehlung
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

cav-Produktreport

Für Sie zusammengestellt

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper

Top-Thema: Instandhaltung 4.0

Lösungen für Chemie, Pharma und Food

Pharma-Lexikon

Online Lexikon für Pharma-Technologie

phpro-Expertenmeinung

Pharma-Experten geben Auskunft

Prozesstechnik-Kalender

Alle Termine auf einen Blick


Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de