Dimensionierung von Rohrwärmetauschern

Definition des Prozesses zur Berechnung und Dimensionierung von Wärmetauschern

Für die zuverlässige und präzise Dimensionierung von Wärmetauschern müssen wir mehrere wichtige Aspekte berücksichtigen.

Ein Wärmetauscher ist ein System zum Austausch von Energie in Form von Wärme zwischen einem heißen und einem kalten Medium. In der Praxis wird die gesamte vom heißen Medium abgegebene Leistung (fc) vom kalten Medium (ff) aufgenommen, wobei die folgende Energiebilanz erfüllt ist:

Die thermische Leistung in einer Flüssigkeit hängt von der Massen-Durchflussmenge und der Differenz zwischen den Ein- und Austrittstemperaturen ab. Bei einer Flüssigkeit mit Phasenwechsel unter Sättigungsbedingungen (Kondensation oder Verdampfung) hängt die thermische Leistung von der Massen-Durchflussmenge und der Phasenwechsel-Enthalpie ab, die durch den Sättigungsdruck bestimmt wird.

Der Prozess ist definiert, wenn alle Parameter vom Kunden festgelegt wurden, mit Ausnahme eines Parameters, der durch Anwendung der oben genannten Energiebilanz berechnet wird. Beispiel:

Produkt (p), Betriebsmedium (s). In der Regel werden die Durchflussmenge und die Ein- und Austrittstemperaturen des Produkts definiert, wobei einer dieser drei Werte für das Betriebsmedium frei bleibt:

Produkt (p), Dienstleistung mit Phasenwechsel (s). In der Regel werden die Durchflussmenge und die Ein- und Austrittstemperaturen des Produkts sowie der Druck während der Dienstleistung definiert, wobei die Durchflussmenge frei bleibt.

Thermische Eigenschaften bei der Dimensionierung von Wärmetauschern

Für die Auslegung des Wärmetauschers müssen die folgenden thermischen Eigenschaften sowohl für das Produkt als auch für den Prozess bekannt sein: Dichte, spezifische Wärme, Leitfähigkeit und Viskosität. Im Allgemeinen ist es für den Konstrukteur interessant, die Werte dieser Eigenschaften bei verschiedenen Temperaturen innerhalb des Arbeitsbereichs zu kennen.

In der Lebensmittelindustrie sind diese Informationen jedoch von entscheidender Bedeutung: Die Viskosität von Lebensmitteln ändert sich sehr stark mit der Temperatur (besonders bei niedrigen Temperaturen) und es kommt häufig zu einem nicht-newtonschen Verhalten des Produkts, bei dem die Viskosität auch von der Durchflussgeschwindigkeit durch den Wärmetauscher abhängt.

Daher ist eine angemessene Charakterisierung der thermischen Eigenschaften die Grundlage für eine optimale Auslegung des Rohrwärmetauschers.

Definition des Wärmetauschers

Sobald der Prozess festgelegt und die thermischen Eigenschaften der Flüssigkeiten charakterisiert sind, beginnt die Arbeit zur Definition des Wärmetauschers.

Auswahl der Materialien bei der Dimensionierung von Wärmetauschern

SACOME fertigt seine Wärmetauscher aus Edelstahl und Kohlenstoffstahl und bietet seinen Kunden weitere Spezialwerkstoffe für Anwendungen mit hoher Korrosionsgefahr an.

Auswahl der Geometrie bei der Dimensionierung von Wärmetauschern

Die Wahl hängt von der Art des Prozesses und der Beschaffenheit des Produkts ab. Die technische Abteilung von SACOME berät Sie bei der Auswahl des geeigneten Rohrwärmetauschers und bewertet dabei die verschiedenen Anforderungen des Kunden: Durchflussgeschwindigkeiten, Druckverluste, verfügbarer Platz usw. Die am häufigsten verwendeten Rohrgeometrien sind Rohr-in-Rohr, Ringraum und Gehäuse und Rohre.

Auswahl der Konfiguration und Oberflächen bei der Dimensionierung von Wärmetauschern

SACOME bietet spezifische Konfigurationen für Anwendungen mit besonderen Anforderungen: zerlegbare Geräte für vollständige Inspektion und Reinigung, Doppelrohrplatten zur Vermeidung von Produktverunreinigungen, geneigte Montagen für vollständige Produktentleerung usw.

Darüber hinaus garantiert SACOME Oberflächen mit kontrollierter Rauheit für sanitäre Anwendungen und pharmazeutische Anwendungen.

Thermische Auslegung des Rohrwärmetauschers

Ausgehend von der Definition des Rohrwärmetauschers ist der wichtigste Punkt bei der Arbeit des Konstrukteurs die Dimensionierung der Anlage. Der Konstrukteur muss die optimale Austauschfläche berechnen, die den spezifizierten Prozess unter Erfüllung aller vom Kunden vorgegebenen Anforderungen ermöglicht.

Dazu wird die folgende Übertragungsgleichung angewendet, wobeiQ die von den Flüssigkeiten ausgetauschteLeistung,U derGesamtheizkoeffizient, A die Austauschfläche und LMTD die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz ist.

Diese Gleichung muss entlang des Wärmetauschers in eine ausreichende Anzahl von Abschnitten unterteilt werden: Die Effektivität der Wärmeübertragung zwischen den Flüssigkeiten variiert entlang des Wärmetauschers, unter anderem weil sich die thermischen Eigenschaften mit der Temperatur ändern und komplexe thermische Phänomene entlang des Rohrwärmetauschers auftreten.

Um das Berechnungsverfahren zu verstehen, kann die Übertragungsgleichung auf den gesamten Wärmetauscher angewendet werden, um eine erste Annäherung an die erforderliche Austauschfläche zu erhalten. Dieses Verfahren wird im Folgenden anhand eines Wärmetauschers mit zwei konzentrischen Rohren veranschaulicht, der Flüssigkeiten im Gegenstrom verarbeitet.

Bestimmung der übertragenen Leistung

Diese ergibt sich direkt aus den bereits für das Produkt festgelegten Prozessdaten, wobei das Produkt in der Regel durch das Innenrohr verarbeitet wird.

Bestimmung der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz

Sie wird zwischen zwei Abschnitten des Wärmetauschers definiert und hängt von den Eintritts- und Austrittstemperaturen des Produkts und des Betriebs ab. Bei Anwendung auf den gesamten Rohrwärmetauscher sind diese vier Temperaturen bekannt; bei Anwendung auf eine Diskretisierung gibt es a priori unbekannte Werte, sodass ein iterativer Konvergenzprozess durchgeführt werden muss.

Bestimmung des Gesamtwärmeübergangskoeffizienten

Er wird als Summe aller vorhandenen Wärmewiderstände berechnet:

Konvektionswärmewiderstand

Er bewertet die Wärmeübertragung, die durch Konvektion in beiden Durchflusskanälen entsteht. Er ist umgekehrt proportional zum Wärmeübergangskoeffizienten des Fluids, h.

Im Produktkanal, wobei D_p und d_p der Außen- und Innendurchmesser des Innenrohrs sind, beträgt er:

Im Servicekanal ist es:

Der entscheidende Schritt bei der Konstruktion eines Wärmetauschers ist die zuverlässige und genaue Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten h. Eine fehlerhafte Berechnung dieser Koeffizienten führt zu einer unzureichenden Leistung des Rohrwärmetauschers und sogar dazu, dass die gewünschten Temperaturen nicht erreicht werden.

Je nach Durchgangskanal (Rohr, Ringraum usw.) und Strömungsregime (laminar, turbulent usw.) muss eine geeignete empirische Korrelation für die Nusselt-Zahl Nu hergestellt werden, die den dimensionslosen Parameter darstellt, aus dem der Übertragungskoeffizient h abgeleitet wird. Im Allgemeinen hängt der Nusselt-Wert von anderen dimensionslosen Parametern wie der Reynolds-Zahl, der Prandtl-Zahl, der Graetz-Zahl, der Grashof-Zahl usw. ab.

Wärmeleitwiderstand

Er bewertet die Wärmeübertragung, die durch Wärmeleitung im Innenrohr zwischen den beiden Flüssigkeiten entsteht. Für ein Rohr, wobei k die Wärmeleitfähigkeit des Metalls ist, wird er wie folgt definiert:

Wärmeaustausch-Widerstand

Während des Betriebs des Wärmetauschers kommt es häufig vor, dass sich auf den mit den Flüssigkeiten in Kontakt stehenden Oberflächen durch Verunreinigungen der Flüssigkeiten selbst Filme ablagern. Diese Verschmutzungswiderstände oder „Fouling“ verschlechtern die Wärmeübertragung.

In Anwendungen, in der Regel in der Industrie, in denen ein Stillstand des Rohrwärmetauschers zur Reinigung verzögert werden soll, wird üblicherweise davon ausgegangen, dass diese zusätzlichen Widerstände von Anfang an vorhanden sind, wodurch die Anlage überdimensioniert wird. In Lebensmittelanwendungen werden sie nicht berücksichtigt, da die Reinigungsarbeiten kontinuierlicher erfolgen.

Im Produktkanal ist:

Im Servicekanal ist es:

Berechnung der erforderlichen Austauschfläche

Durch direkte Anwendung der Übertragungsgleichung lässt sich bereits die erforderliche Austauschfläche ermitteln. Da der Durchmesser des Innenrohrs bereits festgelegt ist, besteht die Lösung des Problems darin, die Gesamtlänge des Wärmetauschers L_t zu ermitteln:

Das Ergebnis ist die erforderliche theoretische Fläche. Es muss jedoch eine auf dem Markt erhältliche Rohrlänge L ausgewählt werden: Ist diese Länge geringer als die theoretische Länge, muss eine bestimmte Anzahl von Wärmetauschern n in Reihe geschaltet werden.

In jedem Fall ist es ratsam, einen Austauschbereich zu wählen, der größer ist als der theoretische, je nach der größeren oder geringeren Unsicherheit bei der Bestimmung der thermischen Eigenschaften der Flüssigkeiten, der Verschmutzungswiderstände oder der Wärmeübertragungsfaktoren. Um diese Überdimensionierung zu quantifizieren, wird ein erforderlicher oder „schmutziger” Gesamtwärmeübertragungskoeffizient definiert: