Planung eines Wärmeübertragers E-Book

Eberhard Wegener

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2013

Seitenzahl: 270

Beschreibung

Dieses praxisorientierte Lehrbuch für Ingenieurstudenten der höheren Semester gibt einen Überblick über die ganzheitliche und vertiefte Betrachtungsweise des Apparate Entwurfes. Wärmeübertragung/Wärmeübertrager sind elementare Bestandteile in den Studienrichtungen Verfahrenstechnik und Maschinenbau, aber auch angrenzenden Studienrichtungen. Für diese Studienfächer steht eine ausreichende Anzahl guter Fachliteratur zur Verfügung, die die Lehre bei der wärmetechnischen Auslegung, der Druckverlustberechnung und dem konstruktiven Entwurf unterstützt. Für darüber hinausgehende Themen steht wenig Zeit zur Verfügung oder sie sind nicht Inhalt des Lehrstoffes. Diese Begrenzung der Stoffvermittlung soll mit vorliegendem Fachbuch etwas gelockert werden und im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung den Studierenden einen kleinen Einblick in Themenkreise gewähren, die den Lebenslauf eines Wärmeübertragers charakterisieren. Anhand eines praktischen Beispiels werden nach der üblichen Auslegung des Apparates Grundlagen für den konstruktiven Entwurf diskutiert, die festigkeitsmäßige Bemessung der Bauteile behandelt und die Konstruktion vorgestellt. Anschließend erfolgt ein Überblick über die Fertigung und Montage des Wärmeübertragers und endet mit der Instandhaltung/Instandsetzung und ihren Problemen und Anforderungen. Neben der Anwendung von Wissen aus den Grundlagenfächern soll aber vor allem die Themenhandlung den Studierenden als Ergänzung zum Vorlesungsstoff dienen und ihren Gesichtskreis erweitern. Dadurch wird dieses Buch ein unverzichtbares Lehrbuch für alle Dozenten und Studenten höheren Semesters der Verfahrenstechnik, Maschinenbau, sowie für Ingenieure der Chemie, Maschinenbau und Verfahrenstechnik.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

1 Aufgabenstellung „Auslegung und Konstruktion eines Rohrbündel-Wärmeübertragers (RWÜ)“

1.1 Allgemeine Voraussetzungen für die Auslegung eines RWÜ

1.2 Hinweise zur Aufgabenstellung

1.3 Aufgabenstellung mit Detailangaben:

1.4 Hinweise zur Lösungsmethodik

2 Wärmetechnische Auslegung des RWÜ

2.1 Allgemeines

2.2 Verwendete Formelzeichen und Kenngrößen

2.3 Ausgangsdiskussion

2.4 Überschlägige Berechnung der erforderlichen Wärmeübertragungsfläche

2.5 Grundlagen für die konstruktive Ausführung

2.6 Nachweise für den Rohrraum und den Mantelraum

2.7 Nachweis der Wandtemperatur

2.8 Korrektur der Wärmeübertragungsfläche

2.9 Kompensatorkriterium

2.10 Zusammenfassung der wärmetechnischen Auslegung

3 Druckverlustberechnung im Mantel- und im Rohrraum des RWÜ

3.1 Druckverlust im Rohrraum ∆pRR

3.2 Druckverlust im Mantelraum des RWÜ mit Einbauten

3.3 Ergebnis der strömungstechnischen Berechnungen

4 Überlegungen zum konstruktiven Entwurf

4.1 Allgemeine Vorgehensweise

4.2 Berücksichtigung von Gestaltungsanforderungen

5 Konstruktive Aufgabenstellung

6 Rechnerische Nachweise für die Apparateelemente

6.1 Grundlagen

6.2 Formelzeichen und Einheiten

6.3 Ermittlung von Berechnungswerten [6]

6.4 Werkstoffauswahl

6.5 Berechnungsparameter

6.6 Berechnung der Apparateelemente

6.7 Stabilitätsberechnung

7 Konstruktion des RWÜ

7.1 Konstruktionszeichnung

7.2 Entwurfsprüfung

8 Fertigung des Rohrbündel-Wärmeübertragers

8.1 Wesentliche Einzelteile zur RWÜ-Fertigung

8.2 Wesentliche allgemeine Fertigungsschritte

8.3 Schlussprüfung und Druckprüfung

8.4 Oberflächensauberkeit und Oberflächenschutz

8.5 Korrosionsschutzanstrich

8.6 Fertigungstechnologie des RWÜ DN 400

9 Transport und Montage des RWÜ

9.1 Transport

9.2 Montage

10 Wärmedämmunge

10.1 Allgemeine Aussagen

10.2 Dämmung als Berührungsschutz für den RWÜ DN 400

11 Instandsetzung von Rohrbündel-Wärmeübertragern – Schadensbehebung durch Reinigung

11.1 Allgemeines

11.2 Logistische Vorleistungen für die mechanische Reinigung von RWÜ

11.3 Mechanische Reinigung von RWÜ

11.4 Chemische Reinigung von RWÜ

11.5 Thermische Reinigung

11.6 Trockeneisreinigung

11.7 In-situ-Reinigung von RWÜ

12 Instandsetzung von Rohrbündel-Wärmeübertragern – Schadensbehebung durch Verstopfen, Rohraustausch oder Neuberohrung

12.1 Allgemeines

12.2 Schäden an Rohrbündel-Wärmeübertragern und Schadensbehebung

Anhang 1 Bezeichnungen und Begriffe für Werkstoffe Kurzzeichen in Werkstoffbezeichnungen

Anhang 2 Zusammenstellung der Prüfbescheinigungen nach EN 1024:2004 (D)

Anhang 3 Kennwerte für die Bemessung der Rohre nach DIN EN 10 216-1, und DIN EN 10 217-1 (AD 2000-Merkblatt W 4 Tafel A 2)

Anhang 4 Kennwerte für Flacherzeugnisse nach DIN EN 10 028-2, Mindestwerte der Dehngrenze Rp0,2 bei erhöhten Temperaturen

Anhang 8 Berechnungsbeiwerte β für gewölbte Böden in Klöpperform nach AD-2000-Merkblatt B 3

Anhang 9 Einsatzgrenzen für Stahlf lansche nach DIN EN 1092-1

Anhang 10 Diagramme zur Ermittlung der Beiwerte K für Tragösen nach TGL 32903/17 und RKF BR – A 62 und BR – A 62

Schlussbetrachtung

Index

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2012

978-3-527-33209-0

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Mit Aufgaben und Lösungen

2012

978-3-527-33174-1

Sattler, K., Adrian, T.

Thermische Trennverfahren

Aufgaben und Auslegungsbeispiele

2007

978-3-527-31022-7

Autor

Prof. Dr.-Ing. Eberhard Wegener

Technische Hochschule Wildau Bahnhofstraße

15745 Wildau

1. Auflage 2013

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Vorwort

Es ist eine immer wiederkehrende Feststellung, dass sich nicht nur bei der Lösung konstruktiver Aufgaben im Rahmen der Apparatetechnik bzw. der Anlagentechnik in den verschiedensten Studienrichtungen, wie Verfahrenstechnik, Energietechnik oder auch Maschinenbau, Probleme bei den Studierenden ergeben. Dies zeigt sich insbesondere in einem nicht ausreichenden Vermögen, Sachverhalte aus zurückliegenden bzw. angrenzenden Lehrgebieten eigenständig zu berücksichtigen und darüber hinaus Aufgabenstellungen methodisch so aufzubereiten, dass implizit enthaltene Forderungen erfasst werden bzw. das Fehlen von Informationen rechtzeitig erkannt wird. Diese Schwierigkeiten führen natürlich zu Problemen im Bearbeitungsablauf, die sich dann auch meist negativ auf die Motivation der Studierenden zur Lösung komplexer Aufgabenstellungen auswirken.

Die Ursachen für diesen Tatbestand sind sicher vielseitig. Einerseits liegen sie im Stoff Zeit-Problem der Lehrenden, das ja in den verschiedensten Studienfächern immer wieder auftritt, sicher auch bedingt durch noch nicht vorhandene Grundkenntnisse der Studierenden infolge fehlender Berufspraxis und damit Schwierigkeiten in den für sie ja meist neuen Lehrgebieten wie Fertigungsverfahren, Werkstofftechnik, Strömungsmechanik oder Technische Mechanik. Es bleibt damit wenig Raum für den Lehrenden, Nachweise und Verbindungen zur Anwendung in den fachspezifischen Studienfächern herzustellen und Verständnis für die später gestellten Anforderungen bereits in den Grundlagenlehrgebieten zu wecken. Dazu kommt auch oft die fehlende Einsicht bei den Studierenden, dass eine ingenieurtechnische Ausbildung eben auch solides Wissen in Grundlagenlehrgebieten erfordert, um in den fachspezifischen Lehrveranstaltungen und darüber hinaus im späteren Berufsleben bestehen zu können. Ein weiteres Problem ist sicher darin zu sehen, dass die Studierenden meist mit einer Fülle von Literaturangaben aufgrund der vorhandenen umfangreichen Fachliteratur auf den einzelnen Gebieten konfrontiert werden. Sie sind damit einfach überfordert, hieraus Allgemeines, Einzelnes oder Besonderes in einer Aufgabenstellung selbstständig abzuleiten und die gestellten Aufgaben effektiv und zufriedenstellend zu lösen.

Aus dieser Situation entstand die Projektidee, für die Studierenden der höheren Semester, besonders an den Fachhochschulen mit den Studienrichtungen Verfahrenstechnik und Energietechnik, die auch die Apparatetechnik und den Anlagenbau beinhalten, aber auch für die maschinenbauliche Ausbildung, eine reale, praxisrelevante Aufgabenstellung beispielhaft unter einer ganzheitlichen Betrachtung abzuarbeiten, d. h. die methodische Entwicklung der konstruktiven Lösung unter Berücksichtigung der im Lebenslauf eines Apparates entstehenden Einflussfaktoren bis zur Instandsetzung. Hierzu bietet sich das Thema „Wärmeübertrager“, speziell ein Rohrbündel-Wärmeübertrager, als Aufgabenstellung an. Als meist in der Industrie angewendeter Wärmeübertrager ist er auch überwiegend Inhalt der Studienfächer Wärmeübertragung/Wärmeübertrager. Allgemein endet ja die Stoffvermittlung in diesen Studienfächern mit der Ermittlung der erforderlichen Übertragungsfläche, der Druckverlustberechnung und dem konstruktiven Entwurf eines Wärmeübertragers. Es bleibt wenig Zeit für den Lehrenden nachzuweisen, dass für einen störungsfreien Betrieb des Apparates neben den erforderlichen Angaben zu Medien, Temperaturen und Drücken zusätzliche Informationen aus dem Betriebsregime einschließlich Reinigung und Instandhaltung benötigt werden. Eine Ergänzung der Stoffvermittlung unter diesem Gesichtspunkt soll durch die vorgestellte Komplexübung erfolgen. Sie vereint in sich die wärme- und strömungstechnische Auslegung sowie konstruktive Teilgebiete und gestattet die festigkeitsmäßige Bemessung der unterschiedlichen Apparateelemente in ihrem Zusammenhang auf der Grundlage der Vorschriftenwerke. Darüber hinaus beinhaltet sie einen Einblick in fertigungs- und montagetechnologische Einflussfaktoren, die durch Betriebsanforderungen ergänzt werden. Dabei wird bewusst auf eine „glatte“ Aufgabenstellung, die problemlos abgearbeitet werden kann, verzichtet. Fehlende bzw. unzureichende Aussagen führen zu Auseinandersetzungen mit der Aufgabenstellung und zur Notwendigkeit, begründet Entscheidungen zu treffen, um weiterarbeiten zu können. Damit soll die Ausarbeitung folgende Zielstellungen erreichen:

Erkennen der Kommunikationsnotwendigkeit mit dem Auftraggeber hinsichtlich Präzisierung der Aufgabenstellung und Diskussion eigener Lösungsvorschläge,

Reaktivierung bzw. Erweiterung des Grundwissens über Wärmeübertragung – Strömungsmechanik (Druckverlustberechnung) – Apparatekonstruktion und Festigkeits-/Stabilitätsberechnung sowie Werkstofftechnik und Fertigungstechnik hinsichtlich der Anwendung auf eine spezielle Aufgabe,

Erkennen der Notwendigkeit zur Abstimmung zwischen wärmetechnischer Auslegung und konstruktiv/technologischer Umsetzung zur Berücksichtigung beiderseitiger Randbedingungen,

Erkennen der Notwendigkeit, die aus den der Entwurfsarbeit nachgelagerten Prozessstufen resultierenden speziellen Anforderungen möglichst frühzeitig zu berücksichtigen.

Der abgehandelte Stoffumfang in den Teilgebieten ermöglicht auch eine effiziente Vorbereitung auf die jeweilig zu erbringenden Kenntnisnachweise bzw. die Abarbeitung komplexer Aufgabenstellungen im Rahmen von Beleg- bzw. Abschlussarbeiten. Über diese Zielstellung hinaus stellt eine derartige Problembehandlung sicher auch ein unterstützendes Material für die Lehrenden in den einzelnen Studienfächern dar, um das Stoff–Zeit-Problem etwas zu entschärfen, und auch für die jungen Absolventen wird es durch den Zwang, sich stets mit Randbedingungen auseinanderzusetzen als Leitfaden in der praktischen Tätigkeit dienen können.

Das vorliegende Buch soll und kann keines der Standardwerke auf den Gebieten der Wärmeübertragung oder des Apparatebaues ersetzen. Durch die komplexe Behandlung eines ausgewählten einfachen Wärmeübertragers vom Entwurf bis zur Instandsetzung ist es als sinnvolle Ergänzung der umfangreichen Fachliteratur gedacht, um weitere Randbedingungen in die Überlegungen mit einzubeziehen.

Dem Wiley-VCH-Verlag wird an dieser Stelle für die Zusammenarbeit und Unterstützung bei der Gestaltung des Buches, insbesondere bei der Bearbeitung des umfangreichen Bildmaterials, gedankt. Der Dank gilt gleichermaßen den Unternehmen, die durch die Bereitstellung technischer Unterlagen das Vorhaben unterstützt und damit wesentlich zum Praxisbezug beigetragen haben.

Fürstenwalde im Dezember 2012,

Eberhard Wegener

1

Aufgabenstellung „Auslegung und Konstruktion eines Rohrbündel-Wärmeübertragers (RWÜ)“

1.1 Allgemeine Voraussetzungen für die Auslegung eines RWÜ

Für den Entwurf und die Auslegung eines Wärmeübertragers ist in erster Linie die möglichst vollständige Angabe aller an den Apparat gestellten verfahrenstechnischen Anforderungen erforderlich. Dazu zählen: der zu übertragende Wärmestrom, die Art, der Aggregatzustand und die Zusammensetzung der Medien am Ein- und Austritt des Wärmeübertragers, die Massen- bzw. Volumenströme, die Eingangs- und Ausgangstemperaturen, die Betriebsdrücke und die zulässigen Druckverluste, die thermodynamischen Eigenschaften der Medien in Abhängigkeit von Temperatur und Druck, sowie Angaben zum Verschmutzungsverhalten der Medien. Darüber hinaus sind die Berechnungstemperatur, der zulässige Betriebsdruck, der Prüfdruck, Werkstoffe, Stutzen-Nennweiten und Stutzenbelastungen, Anschlussmaße sowie Angaben zur Wärme- bzw. Kältedämmung des Apparates erforderlich, die teilweise auch innerhalb des Berechnungsablaufes ermittelt werden. Weiterhin sollten Informationen zum anzuwendenden Regelwerk, zum Aufstellungsort und damit zum benötigten Platzbedarf sowie sonstige Anforderungen aus der Sicht der Montage, des Betriebes und der Instandhaltung vorgegeben werden.

1.2 Hinweise zur Aufgabenstellung

Eingangs soll bemerkt werden, dass – entgegen manch anderer gängiger Literatur (Wärmetauscher) – hier der Begriff „Wärmeübertrager“ verwendet und damit auch dem VDI-Wärmeatlas [1] entsprochen wird.

Für die Gesamtthematik wurde von einem Auftraggeber die nachfolgende Aufgabenstellung vorgegeben. Wie beim Durcharbeiten unschwer zu erkennen ist, entspricht sie nicht den im Abschnitt 1.1 gestellten Anforderungen und ist nicht in allen Bereichen eindeutig. Natürlich wäre es möglich, alle diese fehlenden Aussagen bzw. Konkretisierungen der Aufgabenstellung hier bereits festzulegen oder einzuarbeiten und damit eine „glatte“ Abarbeitung zu ermöglichen. Aber das Anliegen der Ausarbeitung liegt ja darin, dass sich die Studierenden mit derartigen, in Teilbereichen unzulänglichen Aufgabenstellungen neben den theoretischen Grundlagen auseinandersetzen sollen. Es wäre auch möglich, hier Elemente der Konstruktionsmethodik hinsichtlich der Präzisierung der Aufgabenstellung anzuwenden (Festforderungen, Mindestforderungen, Wünsche, Ziele). Da aber insgesamt ganz unterschiedliche Teilbereiche – vom Entwurf über die Konstruktion, ergänzt bis zur Instandsetzung – auch in unterschiedlicher Tiefe behandelt werden, wird zweckmäßigerweise davon abgesehen und dann besser an entsprechender Stelle diskutiert.

Um demzufolge also nicht im Vorfeld bereits Dinge in den Vordergrund zu rücken, über die erst in einer späteren Bearbeitungsphase zu entscheiden ist, erfolgt anschließend eine systematische Abarbeitung der Aufgabe, innerhalb derer dann auf die offenen bzw. nicht eindeutigen Problemstellungen eingegangen und begründet entschieden wird, um die Weiterführung der Arbeit zu ermöglichen. Dies führt dann zur sogenannten „Präzisierung der Aufgabenstellung“, wie aus der Konstruktionsmethodik bekannt. So soll der Studierende bewusst dazu geführt werden, Aufgabenstellungen kritisch zu betrachten und mögliche, erforderliche Ergänzungen/Klarstellungen rechtzeitig einzufordern.

1.3 Aufgabenstellung mit Detailangaben:

Technologische Grundlage In einer Ethylenanlage soll das Speisewasser (Mitteldruck-Kondensat) für zwei Dampferzeuger durch Weichwasser ersetzt werden. Hierbei muss eine kontinuierliche Absalzung erfolgen. Diese Abschlämmung soll in einem Rohrbündel-Wärmeübertrager (RWÜ) mittels Kühlwasser auf +40 ºC abgekühlt werden und anschließend in das Abwasser abgeleitet werden.

Technische Daten:

Abschlämmung ND-Dampferzeuger:

Menge:

4 bis 4,5 t/h

Druck:

0,35 MPa

Temperatur:

150 ºC

Kesselinhaltswasser Salzgehalt:

3000 mg/l

Salzgehalt des Dampfes:

max. 1 mg/l.

Kühlwasser:

Druck (Vorlauf):

0,35 bis 0,50 MPa

Rücklauf:

0,15 MPa nicht zu unterschreiten

Eintrittstemperatur:

(im Jahresmittel) +25 ºC

Kühlzonenbreite:

5 bis max. 10 ºC, mit 8 ºC anzusetzen.

Zur Verschmutzung sind folgende Aussagen gemacht:

Auf der Abschlämmseite ist mit keinen Ablagerungen zu rechnen, während das Kühlwasser zur Verkrustung neigt. Diese wird vorzugsweise chemisch beseitigt.

Die Reinigung erfolgt vor Ort. Der Spülvorgang läuft unter folgenden Bedingungen ab:

Temperatur:

30 ºC

Druck:

0,1 MPa

Spülmedium:

1-%-ige Salzsäure

Für die wärmetechnische Auslegung werden nach Tabelle 1.1 folgende Stoffwerte vorgegeben:

Tabelle 1.1 Stoffwerte aus der Aufgabenstellung.

Zu beachtende Randbedingungen:

Der RWÜ muss in eine vorhandene Anlage eingebaut werden. Daraus ergeben sich folgende Zwangspunkte:

Die vorhandene Standortgröße begrenzt die Länge des RWÜ auf 4 m bis max. 4,5 m.

Die vorgesehene Wiederverwendung der Fundamente (2 Sockel im Mittenabstand von 2,0 m, Auflagefläche 500 × 200 mm) erfordert eine liegende Anordnung des Wärmeübertragers; der RWÜ wird in einer Behältertasse aufgestellt. Bevorzugt wird ein eingängiger RWÜ. Bei Betriebsabstellung und Instandhaltungsmaßnahmen ist durch die Auskleidung der Wanne eine gefahrlose Entleerung des RWÜ gegenüber Leckflüssigkeit gegeben.

Die Freiaufstellung des RWÜ verlangt einen Außenanstrich. Muss aus verfahrenstechnischen Gründen das heißgehende Medium im Mantelraum fließen, ist der Anstrich entsprechend auszuwählen und erforderlichenfalls ist ein Berührungsschutz zu berücksichtigen.

In der Ethylenanlage herrscht Schweißverbot. Damit ist der RWÜ komplett zu liefern. Alle Instandsetzungsarbeiten – von den periodischen Reinigungsarbeiten abgesehen – müssen in der Werkstatt erfolgen.

Die auftretenden Rohrlasten der Ver- und Entsorgungsleitungen sind zu erfassen und bei der RWÜ-Konstruktion entsprechend zu berücksichtigen. Da die Anschlüsse des bisherigen Apparates mit denen des neuen RWÜ nicht identisch sind, müssen alle Leitungen neu verlegt und angepasst werden.

Belastungen im System: Die Lebensdauer der Anlage wird mit 15 Jahren angesetzt. Für diesen Zeitraum werden aus Erfahrung 10

3

Lastwechsel, resultierend aus notwendigen Generalüberholungen, Abstellen bei Betriebsstörungen sowie anderen Betriebsbedingungen, beim Spül- und Prüfzustand sowie auftretenden Systemschwankungen des Kühlwasserkreislaufes, angesetzt.

Im Zusammenhang mit der Neugestaltung des Rohrleitungssystems ist zu prüfen, ob die 1 %-ige Salzsäure durch ein anderes chemisches Reinigungsverfahren ersetzt werden kann.

Infolge der Medienzustände ist ein Reinigungsintervall von 3 Monaten vorgesehen.

1.4 Hinweise zur Lösungsmethodik

Entsprechend der Aufgabenstellung, die die wesentlichen Anforderungen hinsichtlich der Parameter und bereits einige Forderungen für die konstruktive Gestaltung sowie Aussagen zur Fahrweise enthält, wird generell die Forderung nach einer funktionsgerechten, wartungsarmen und robusten Konstruktion mit einer einfachen Montage und effektiver Reinigungsmöglichkeit gemacht.

Ein Apparat hat die Aufgabe, ein Verfahren oder einen Verfahrensschritt zu realisieren. Das Verfahren steht also im Vordergrund. Da es aber unumgänglich ist, Verfahren, Apparat und Anlage als Einheit zu sehen, um eine optimale Lösung zu erreichen, steht innerhalb der Aufgabenstellung die wärmetechnische Auslegung als erster Schritt in der Ablauffolge. Zunächst muss Klarheit über die Bauart geschaffen werden, d. h. es werden die Bauarten ausgeschlossen, die aufgrund der eingesetzten Medien, des Betriebsdruckes, der Betriebstemperatur, der Volumenströme und des Platzbedarfes oder aufgrund von Betriebserfahrungen für die Lösung der Aufgabenstellung nicht einsetzbar sind. Für die gewählte Bauart wird die wärmetechnische Auslegung vorgenommen. Die anschließende strömungstechnische Berechnung fußt auf deren Ergebnissen im Zusammenhang. Die Ablagerungsbildung während des Betriebes wird dabei üblicherweise durch Foulingwiderstände berücksichtigt, aus denen dann für den Anfangszustand eine Überdimensionierung der Wärmeübertragungsfläche resultiert, die regelungstechnisch berücksichtigt werden muss. Es soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass bei der Ermittlung und Festlegung von Bauelementen bereits hier die entsprechenden Normen bezüglich der Abmessungen berücksichtigt werden müssen, um die Berechnungsergebnisse konstruktiv abzusichern. Auf die wärme- und strömungstechnische Berechnung folgt der konstruktive Entwurf in Verbindung mit der Werkstoffauswahl. Berechnung und Entwurf liefern die Grundlage für die festigkeitsmäßige Auslegung der druckbeanspruchten Apparateelemente und Aussagen über den Einfluss der für den Transport und die Montage erforderlichen Tragelemente. Diese werden ergänzt durch die Berücksichtigung von Zusatzlasten wie sie im Rahmen der Fertigung, des Transportes und der Montage sowie auch beim An- und Abfahren oder beim Reinigen entstehen. Unter Berücksichtigung von Anforderungen aus der Fertigung, z. B. der Schweißtechnik oder der Rohrbündelmontage, entstehen letztlich die Konstruktionsunterlagen für den RWÜ und damit auch die notwendigen Grundlagen für die Entwurfsprüfung (früher Vorprüfung) der Unterlagen durch den TÜV (Technischer Überwachungsverein) vor Fertigungsbeginn, wenn es sich – wie noch nachzuweisen – um einen abnahmepflichtigen Druckbehälter handelt.

Nach Abschluss der eigentlichen Aufgabenstellung mit den Konstruktionsunterlagen gemäß der Titelangabe für die vorliegende Ausarbeitung erfolgt eine Beschreibung der RWÜ-Fertigung unter Berücksichtigung des im Studienfach Fertigungstechnik erworbenen Wissens, erweitert um bei RWÜ fertigungsspeziellen Abläufen/Verfahren und Fertigungseinrichtungen. Um eine ganzheitliche Betrachtung der Thematik zu erreichen, werden auch Gesichtspunkte aus den sich an die Fertigung anschließenden Prozessen des Transportes und der Montage als Überblickswissen vermittelt sowie auf den in der Aufgabenstellung angeführten Reinigungsprozess eingegangen und Aussagen zur Instandsetzung getroffen.

Da es sich bei der vorliegenden Ausarbeitung im Wesentlichen um Studienmaterial für Studenten relevanter Fachrichtungen wie Verfahrenstechnik, Maschinenbau und angrenzender Studiengänge handelt, erfolgt nur eine begrenzte Wiederholung von Stoffinhalten, die mit dem Lösungsablauf im Zusammenhang stehen, aber eine Diskussion und Begründung des eingeschlagenen Weges und der Auslegungsgrundlagen mit entsprechenden Literaturvermerken. Wenngleich weitgehend Abbildungen und Tabellen aus den Vorschriftenwerken als Auszüge angeführt werden, um eine übersichtliche Themenabarbeitung zu gewährleisten, schließt dies das Studium der Originalliteratur nicht aus. Lediglich an ausgewählten Teilthemen, die meist nicht Gegenstand der Lehrveranstaltungen der genannten Fachrichtungen sind, erfolgt eine etwas erweiterte Darstellung des Sachverhaltes, insbesondere unter Nutzung von ausgewähltem Bildmaterial. Damit soll die Nachvollziehbarkeit des Lösungsweges gewährleistet und zugleich eine selbständige Übertragbarkeit durch die Studierenden auf andere Aufgabenstellungen erreicht werden. Parallel dazu soll die Erkenntnis gestärkt werden, dass bei der wärme-/strömungstechnischen Auslegung eines Wärmeübertragers bereits konstruktive Details, aber auch Anforderungen aus dem Betriebsregime berücksichtigt werden müssen, wie z. B. die weitgehende Verwendung von genormten Bauteilen bei der Festlegung von Querschnitten. Für die konstruktive Gestaltung wiederum sind die wärme-/strömungstechnischen Ergebnisse als sog. Festforderungen anzusehen, d. h. eine Abweichung von den vorgegebenen Abmessungen beeinflusst in jedem Fall die vorhergehende RWÜ-Auslegung und ist damit nur in Abstimmung mit dem Wärmetechniker statthaft. Andererseits sind oft konstruktive Ergänzungen des wärme-/strömungstechnischen Entwurfs erforderlich. Sie ergeben sich aus der notwendigen Berücksichtigung von Maßnahmen zur Sicherung einer fertigungs- und montagegerechten Konstruktion.

So wird in den einzelnen Abschnitten auf diese Anforderungen jeweils eingegangen, um die studienfachbezogene Denkweise zu erweitern.

Literatur

1 (2006) VDI-Wärmeatlas – Berechnungsblätter für den Wärmeübergang, 10. bearbeitete und erweiterte Auflage, VDI-Verlag, Düsseldorf.

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Wärmetechnische Auslegung des RWÜ

2.1 Allgemeines

Wärmeübertrager sind Apparate, die in Richtung eines Temperaturgefälles Wärme zwischen zwei oder mehr Medienströmen übertragen. Sie werden allgemein nach der Art des Wärmeübergangs in drei Gruppen eingeteilt:

Rekuperatoren, bei denen sich zwischen den Medienströmen stets eine Trennwand befindet (Übertragungsfläche). Die Apparate dieser indirekten Wärmeübertragung sind bevorzugt dort eingesetzt, wo sich die Medien weder vermischen noch verunreinigen dürfen. Umfangsreichste Gruppe sind die Rohrbündel-Wärmeübertrager (RWÜ).

Regeneratoren als Wärmeübertrager mit Speichermassen.

Kontakt-Wärmeübertrager, die die Medienströme zwecks Wärmeübertragung in die direkte Berührung bringen.

Ziel der Berechnung von Wärmeübertragern der ersten Gruppe, in die die Aufgabenstellung fällt, ist es, für vorgegebene Massenströme, Temperaturen oder Wärmeströme die geeignete Bauart zu ermitteln und dann die erforderliche Übertragungsfläche und die Strömungsquerschnitte für die beteiligten Stoffströme zu bestimmen. Wärmeübertrager lassen sich nicht aus Vorgabedaten in direkter Ergebnisermittlung auslegen. Sie müssen demzufolge iterativ aus gegebenen und errechneten kalorischen Zustandsgrößen, aus Stoffwerten unter Berücksichtigung von Druck und Temperatur und über eine vorerst angenommene Apparategeometrie dimensioniert werden. Insofern ist der Entwurf bzw. die Bemessung eine schwierigere Aufgabe als die Nachrechnung eines gegebenen RWÜ. In diesem Fall sind ja sämtliche Geometrien des Apparates bekannt, und es sind die thermische Leistung und der Druckverlust zu ermitteln.