Was sind Rohrbündelwärmetauscher?

Rohrbündelwärmetauscher sind in der Ingenieurwelt weit verbreitet und gehören zu den beiden häufigsten Arten von Wärmetauschern; die andere häufige Art ist der Plattenwärmetauscher.

Rohrbündelwärmetauscher zeichnen sich durch ein einfaches Design, robuste Eigenschaften und relativ niedrige Anschaffungs- und Wartungskosten aus. Sie bieten eine sehr hohe Wärmeübertragungsrate, benötigen jedoch mehr Platz als ein Plattenwärmetauscher mit ähnlicher thermischer Austauschkapazität.

Rohrbündelwärmetauscher

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Komponenten eines Rohrbündelwärmetauschers

Ein Rohrbündelwärmetauscher besteht aus einer Anordnung von Rohren, die in einem zylindrischen Behälter, dem sogenannten ‘Gehäuse’, untergebracht sind. Alle Rohre im Gehäuse werden zusammen als ‘Rohrbündel’ oder ‘Rohrnest’ bezeichnet. Jedes Rohr durchläuft eine Reihe von Prallblechen und Rohrplatten (auch als ‘Rohrstapel’ bekannt). Eine der Rohrplatten ist fest und eine kann sich bewegen, was eine thermische Ausdehnung ermöglicht, wenn der Wärmetauscher erhitzt wird.

Komponenten eines Rohrbündelwärmetauschers

Das strömende Medium innerhalb der Rohre wird als ‘Rohrseite’ bezeichnet. Das strömende Medium außerhalb der Rohre wird als ‘Gehäuseseite’ bezeichnet. Jedes Medium hat einen Einlass und einen Auslass.

Das Medium auf der Rohrseite wird normalerweise für das Hochdruckfluid ausgewählt, da jedes Rohr als kleiner Druckbehälter fungieren kann; es ist auch kostengünstiger, Rohre mit hoher Druckfestigkeit herzustellen als ein Gehäuse mit hoher Druckfestigkeit.

Beispiel: Wärmetauscher

Ein Gehäusewärmetauscher verwendet Wasser, um Öl zu kühlen. Öl ist das Medium auf der Gehäuseseite, während Wasser das Medium auf der Rohrseite ist. Das Öl tritt durch den oberen linken Einlass ein und fließt durch den Wärmetauscher, bis es den unteren rechten Auslass erreicht. Wasser fließt durch die Rohre vom rechten Einlass zum linken Auslass.

Einzelpass-Wärmetauscher

Wie funktionieren Rohrbündelwärmetauscher?

Das folgende Video ist ein Auszug aus unserem Online-Video-Kurs zu Wärmetauschern.

Der Rohrbündelwärmetauscher ist in zwei Hauptsysteme unterteilt, die als Gehäuseseite und Rohrseite bezeichnet werden. Jedes System hat ein zugehöriges strömendes Medium. In unserem Beispiel nehmen wir an, dass die Gehäuseseite heißes Mineralöl enthält, das gekühlt werden muss, während die Rohrseite Kühlwasser enthält.

Das Kühlwasser tritt in den Wärmetauscher ein und fließt durch die Rohre. Das Mineralöl tritt in den Wärmetauscher ein und fließt im Gehäuse um die Rohre herum. Die beiden Flüssigkeiten mischen sich nicht, da die Wand der Rohre dies verhindert. Da sich die Flüssigkeiten nicht direkt mischen, erfolgt eine indirekte Kühlung (keine direkte Kühlung).

Turbulente Strömung erhöht die Wärmeübertragungsrate des Wärmetauschers und reduziert auch die Wahrscheinlichkeit, dass sich gelöste Feststoffe an den Wänden der Rohre und des Gehäuses ansammeln (turbulente Strömung hat einen selbstreinigenden Effekt).

Turbulente Strömung innerhalb der Rohre wird durch das Einsetzen von Rohrinserts (auch als ‘Turbulatoren’ bekannt) in jedes der Rohre erzeugt. Turbulente Strömung innerhalb des Gehäuses wird durch Prallbleche erzeugt, die verwendet werden, um das Wasser mehrmals über die Rohre zu leiten, während es durch den Wärmetauscher fließt.

Rohrinserts (schwarze Linie in der Mitte des Rohrs)

Wärme wird zwischen den beiden Flüssigkeiten ausgetauscht, da sie in thermischem Kontakt miteinander stehen. Das Öl verlässt den Wärmetauscher kühler und das Wasser verlässt den Wärmetauscher wärmer.

Parallel-, Gegen- und Kreuzstrom

Parallel-, Gegen- und Kreuzstrom

Wärmetauscher sind in vielen Formen und Größen erhältlich. Um die Klassifizierung von Wärmetauschern zu erleichtern, werden sie oft in Gruppen eingeteilt, die auf Design- und Betriebsmerkmalen basieren. Ein solches Merkmal ist der Strömungstyp.

Es gibt drei Hauptströmungstypen, diese sind parallel, gegenläufig und kreuzweise. Aufgrund von Designüberlegungen und den Anwendungen von Wärmetauschern ist es selten, dass ein Wärmetauscher nur einer dieser Strömungstypen ist, normalerweise sind sie eine Kombination aus mehreren Strömungstypen, z.B. gegenläufiger Kreuzstrom.

Parallelstrom

Parallelstrom tritt auf, wenn sowohl das Gehäuseseiten- als auch das Rohrseitenmedium den Wärmetauscher von derselben Seite betreten und zur gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschers fließen. Die Temperaturänderung (Delta T/ΔT) über die beiden Medien ist für beide gleich, d.h. sie erhöhen oder verringern sich um einen bestimmten Betrag. Beachten Sie, dass sich die Austrittstemperatur für beide Medien annähert und es nicht möglich ist, unter diesen Punkt zu kühlen, obwohl die Einlasstemperatur des kälteren Fluids niedriger ist als die Konvergenztemperatur (die Konvergenztemperatur auf dem Diagramm unten beträgt etwa 80°C).

Parallelstrom-Wärmetauscher

Gegenstrom

Gegenstrom (auch bekannt als Kontrafluss) Wärmetauscher haben zwei strömende Medien, die in entgegengesetzter Richtung (180° auseinander) zueinander fließen. Jedes strömende Medium tritt an entgegengesetzten Enden in den Wärmetauscher ein und wird an entgegengesetzten Enden entladen. Da das kühlere Medium den Gegenstromwärmetauscher an dem Ende verlässt, an dem das heiße Medium in den Wärmetauscher eintritt, nähert sich das kühlere Fluid der Einlasstemperatur des heißen Fluids; dies macht das potenzielle Delta T viel größer als bei einem Parallelstromwärmetauscher. Gegenstromwärmetauscher sind die effizienteste Art von Wärmetauschern.

Gegenstrom-Wärmetauscher

Kreuzstrom

Kreuzstrom Wärmetauscher haben ein Medium, das senkrecht (bei 90°) über das andere fließt. Kreuzstromwärmetauscher werden normalerweise in Anwendungen gefunden, bei denen eines der Fluide den Zustand ändert (2-Phasen-Strömung). Zum Beispiel ein Kondensator eines Dampfsystems, in dem der Dampf, der die Turbine verlässt, in die Gehäuseseite des Kondensators eintritt und das kühle Wasser, das in den Rohren fließt, die Wärme vom Dampf aufnimmt und ihn in Wasser kondensiert. Große Mengen an Dampf können mit diesem Strömungstyp des Wärmetauschers kondensiert werden.

Kreuzstrom-Wärmetauscher

Einzel- und Mehrfachdurchlauf

Eine wirtschaftliche und effiziente Möglichkeit, die Effizienz eines Wärmetauschers zu erhöhen, besteht darin, die strömenden Medien mehrmals miteinander in Kontakt zu bringen. Jedes Mal, wenn ein Medium über das andere strömt, wird Wärme ausgetauscht.

Wenn ein strömendes Medium nur einmal über das andere strömt, wird es als ‘Einzelpass’ Wärmetauscher bezeichnet.

Einzelpass-Wärmetauscher-Design

Wenn ein strömendes Medium mehr als einmal über das andere strömt, wird es als ‘Mehrfachpass’ Wärmetauscher bezeichnet.

Mehrfachpass-Wärmetauscher-Design

Mehrfachpass in den Rohren

Häufig kehrt der Mehrfachpass-Wärmetauscher den Fluss in den Rohren durch die Verwendung von einem oder mehreren "U"-Bögen in den Rohren um. Die "U"-Bögen ermöglichen es dem Fluid, mehrmals über die Länge des Wärmetauschers zu fließen. Diese Art von Wärmetauscher ist als U-Rohr-Rohrbündelwärmetauscher bekannt.

U-Form Wärmetauscher

Es ist auch möglich, den Fluss durch die Rohre umzukehren, indem die untere oder obere Seite des Rohrbündels für einen Durchlauf und die gegenüberliegende Seite für den nächsten Durchlauf verwendet wird. Somit entspricht jede Hälfte eines Rohrbündels einem Durchlauf.

Mehrfachpass im Gehäuse

Eine zweite Methode, um mehrere Durchläufe zu erreichen, besteht darin, Prallbleche auf der Gehäuseseite des Wärmetauschers einzufügen. Diese leiten das Gehäuseseitenfluid hin und her über die Rohre, um den Mehrfachpass-Effekt zu erzielen.

Mehrfachpass-Wärmetauscher

Vorteile und Nachteile von Rohrbündelwärmetauschern

Vorteile

• Günstiger im Vergleich zu Plattenwärmetauschern.
• Relativ einfaches Design und leicht zu warten.
• Geeignet für höhere Drücke und Temperaturen im Vergleich zu Plattenwärmetauschern.
• Der Druckabfall (Delta P/ΔP) ist geringer als bei einem Plattenwärmetauscher.
• Leckende Rohre sind leicht zu finden und zu isolieren.
• Rohre können ‘doppelt wandig’ sein, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass das Gehäuseseitenfluid in das Rohrseitenfluid eindringt (oder umgekehrt).
• Einfach zu installierende Opferanoden.
• Verschmutzen nicht so leicht wie Plattenwärmetauscher.

Nachteile

• Weniger effizient als Plattenwärmetauscher.
• Benötigen mehr Platz zum Öffnen und Entfernen der Rohre.
• Die Kühlkapazität kann nicht erhöht werden, aber die eines Plattenwärmetauschers kann es.

Teile eines Rohrbündelwärmetauschers

Trennplatte

Die Trennplatte trennt die unteren und oberen Hälften des Wärmetauschers. Die Trennplatte leitet das strömende Medium durch die Rohre. Einlass / Auslass Einlass oder Auslass des Fluidmediums, das durch die Rohre oder das Gehäuse des Wärmetauschers fließt.

Gehäuse/Schale

Das Gehäuse/die Schale wird verwendet, um das strömende Medium zu enthalten und interne Teile zu beherbergen. Es dient auch als starkes strukturelles Element, an dem andere Teile befestigt werden können. Deckplatte Die Deckplatte wird verwendet, um ein Ende des Gehäuses abzudichten und Leckagen zu verhindern.

Dichtung

Eine Dichtung wird zwischen zwei Metalloberflächen platziert. Die Dichtung besteht normalerweise aus Papier oder Gummi und wird zwischen den Metallen ‘gepresst’, um eine Abdichtung zu schaffen. Die Abdichtung verhindert Leckagen.

Die Form der Dichtung verhindert auch Leckagen um die Trennplatte.

Feststehende Rohrplatte

Die Rohrplatte sitzt im Gehäuse und stützt die Enden der Rohre. Das Gewicht der Rohre wird dann weiter von den Prallblechen gestützt (je nach Design).

Prallbleche

Prallbleche werden verwendet, um die Strömungsrichtung des Fluidmediums zu ändern. Die Änderung der Richtung sorgt für eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Wärmetauscher. Die Effizienz nimmt ab, wenn der Durchfluss durch den Wärmetauscher nicht gleichmäßig verteilt ist.

Schraube

Muttern und Schrauben werden verwendet, um Teile des Wärmetauschers zu sichern. Ausgewählte Schrauben sollten geeignete Zugfestigkeits- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften aufweisen. Schrauben sind der ‘männliche’ Teil einer Mutter-Schrauben-Baugruppe.

Mutter

Muttern und Schrauben werden verwendet, um Teile des Wärmetauschers zu sichern. Ausgewählte Muttern sollten geeignete Zugfestigkeits- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften aufweisen.

Muttern sind der ‘weibliche’ Teil einer Mutter-Schrauben-Baugruppe.

Spannstangen

Spannstangen werden als Führungen für die Prallbleche verwendet, um sicherzustellen, dass keine Dreh- oder Axialbewegung der Prallbleche auftritt.

Rohre

Eines der Fluidmedien fließt direkt durch die Rohre, während das andere turbulent auf der Außenseite strömt. Wärme wird zwischen den beiden Medien aufgrund der Nähe ausgetauscht (Wärme wird durch Leitung an die Rohrwände und dann weiter an das Außenmedium übertragen).

Gehäuse

Die Rohre, Prallbleche und Spannstangen sind alle im Gehäuse (Gehäuse) untergebracht. Es ist die Gehäuse- und Rohrkonstruktion, die diesem Wärmetauschertyp seinen Namen gibt.

Zusätzliche Ressourcen

http://www.mcraeeng.com/how-shell-and-tube-heat-exchangers-work/page-2/blog.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Shell_and_tube_heat_exchanger

https://www.explainthatstuff.com/how-heat-exchangers-work.html