Rohrwendel Tauscher

Grundlagen der Wärme- undKältetechnik

Teil 1: WärmeübertragerVorlesung XIII

Rohrwendel / Spiralwärmeübertrager

Dresden, 18.01.2010

Fakultät für Maschinenwesen, Institut Energietechnik, Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung

TU Dresden VWS Vorlesung 10 Folie 2

Rohrwendel/Spiralwärmeübertrager

Literatur:- VDI-Wärmeatlas Abschnitt Gc- Kompakt-Wärmeübertrager – Bauarten, Materialien, Anwendungen

Hrg: Prof. em. Dipl.-Ing. H.-O. Demski; Publico Verlag- Fa. GEA- Fa. Tranter HES GmbH- Fa. Mißbach & Gärtner- Fa. Makatec


Quelle: VDI-Wärmeatlas

Strömung durch Rohrwendeln

- Bei Strömung durch Rohrwendeln (Rohrschlange)treten durch die Krümmung Zentrifugalkräfte auf

- es entsteht ein Doppelwirbel- dadurch verbessert sich die Wärmeübertragung

zwischen Fluid und Rohrwand- Nachteil ist der erhöhte Druckverlust

- die Intensität der Sekundärströmung hängt vondem Krümmungsverhältnis d/D ab

- Besonderheit: der Umschlag von laminarer zuturbulenter Strömung verschiebt sich mit zunehmenden Verhältnisd/D zu höheren Reynoldszahlen

(Vermutung: es werden erste Störungen durch dieSekundärströmung gedämpft und erst bei höherenStrömungsgeschwindigkeiten erfolgt der Umschlag)


Rohrwendel


Quelle: Wagner Thermo


Für kritische Reynoldszahl gilt nach Schmidt

0,45

kritD

d8,612300Re

Berechnung des mittleren Krümmungsdurchmessers

Rohr hat Länge l Mittlerer WindungsdurchmesserSteigung hWindungen n

Über die Eigenschaften des rechtwinkligen Dreiecks erhält man den Durchmesser der Wendel

n

lDs

2

sW

hDD


Mittlerer Krümmungsdurchmesser D der Rohrwendel, welcher bei der Berechnung einzusetzen ist:

2

W

WD

h1DD

Unterschiede zwischen D und DW sind nur bei stark gekrümmten Rohren und großer Steigung h zu verzeichnen.

Wärmeübergangskoeffizient

Wärmeübergangskoeffizient für ein Rohr mit Länge l

logq

Für die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz gilt:


AWA

EWE

AWAEWEmlog

tt

ttln

ttttt

WA

WE

t

tRohrwandtemperaturen am Eingang und Ausgang

Wärmeübertragung bei laminarer Strömung

- Numerische Berechnungsmodelle und experimentelle Nachweise (z.B. von Baumeister)sind in noch großem Widerspruch.

- Die berechneten Wärmeübergangskoeffizienten sind erheblich kleiner als die experimentell ermittelten Werte.

- Sie beinhalten den Einfluss des thermischen und fluiddynamischen Anlaufs und werdenaußerhalb des experimentell bestimmten Bereiches (viele Windungen, große Lauflängen l/d) eingesetzt. Hier Verweis auf Literatur Brauer/Baumeister VDI-Fortsch.-Heft 593


Folgende Messwerte für Wasser und Öl in mit kondensierendem Wasserdampfbeheizten Rohrwendeln sind verfügbar:

d/D 0,2 0,14 0,098 0,069 0,049 0,024 0,012

l/d 231 165 365 205 477 579 636

n 15,5 8,9 11,5 5 7,5 4,5 2,5

Hier kann man mit einer Abweichung von ±15 % die Nußelt-Zahl nach Schmidt berechnen.

d; Nu

aPr

cdRe

D

d2903,05,0m

Pr

PrPrRe

D

d8,0108,066,3Nu

194,0

14,0

W

3

1

m

9,0

mit

- Stoffwerte bei mittlerenFluidtemperaturen

- außer Prandtl-Wand

Gleichung gilt für unterkritische Reynoldszahlen


Wärmeübertragung bei turbulenter Strömung mit Re > 2,2*104

Gleichung nach Gnielinski mit ± 15 % Abweichung:

5,0

25,0

14,0

W3

2

D

d03,0

Re

3164,0

Pr

Pr

1Pr8

7,121

PrRe8Nu

Übergangsbereich Rekrit < Re < 2,2*104

Hier Interpolation zwischen den Nußelt-Zahlen bei Rekrit und bei Re=2,2*104

krit

4

4

4

tkrit1

Re102,2

Re102,2

102,2ReNu1ReNuNu


Speisewasservorwärmer


Spiralwärmeübertrager (*nach Markus Lentz)

• bestehen aus 2 bzw. 4 langen Metallblechen (coils), welche mit Wickelvorrichtungzu einem Spiralkörper geformt werden.

• Distanz zueinander durch zylindrische Abstandshalter realisiert, welche einseitig aufdas Blech aufgeschweißt werden

• Querschnitte der Kanäle sind rechteckig ö

• Herstellung ist teurer als Plattenwärmeübertrager• daher, alles was mit PWÜ realisiert werden kann, wird als solcher ausgeführt• Nischenprodukt

Historie• Idee aus dem 19. Jahrhundert• 1934 Patent durch schwed. Ingenieur Rosenblad aus der Papierindustrie, wo Rohrbündel-WÜ

stark verschmutzten, und geringe Grädigkeiten erforderlich waren (bei RWÜ nurdurch große Flächen realisierbar), Aufstellungsplatz beschränkt

• Realisierung als Einkanalsystem, wirkt Verschmutzungen und Verstopfungen entgegen• dann Joint Venture mit deutscher Firma Carl Canzler Düren (ROCA)• danach finnische Firma Vaahto Ltd. (wurde durch britische gekauft, Fertigung heute wieder in

Deutschland als Tochterunternehmen von Tranter)• durch die Spezifik gibt es weltweit nur sehr wenige Hersteller


Quelle: Fa. GEA

Medium k-Wert(W/m²K)

Flüssig-Flüssig

700-2500

Kond. Dampf / Flüssigkeit

900-3500


Herstellung

1. Punkten2. Wickeln3. Schweißen der Kanalabschlussnähte4. Zusammenbau


1. Je nach Material und Druck werden 120-650 Distanzstifte aufgebracht- d.h. große Apparate haben bis zu 300000 Stifte- die Stifthöhe definiert somit die Kanalhöhe, Verbesserung durch Turbulenz- bei sehr hohen Anforderungen (kommunaler Klärschlamm) wird auf Stifte verzichtet

2. Wickelmaschine bringt Bänder um die Kernkonstruktion (Schweißkonstruktion)- Kern ist konstruktiv so gebaut, dass 2 getrennte Kammern vorhanden sind- 2 Spiralbänder für Bauart mit jeweils einen heißen und kalten Kanal- 4 Bänder für 2 heiße und 2 kalte Kanäle

(entspricht 2 parallel angeordneten Spiral-WÜ in einer Hülle zur Verminderung desDruckverlustes bei gleicher Fläche aber halber Kanallänge)

- Nach Wickeln steht der Spiral-WÜ unter großer Spannung und muss fixiert werden(Uhrfeder)

3. Verschweißen der Kanalenden wechselseitig oder ein Kanal beidseitig,da Dichtungen an den Kopfseiten keine Dichtheit garantieren


- bei Anordnung des Deckels mit Distanz zu Kanalenden kann man eine Kreuzströmerrealisieren (axiale Strömung), Distanzbereich ist Verteiler und Sammler

- bei beidseitig verschlossenen Kanal ist der offene Kanal zugänglich (durchschaubar)

4. - Verschließen des Apparates, Bearbeitung der Dichtflächen beim reinen Gegenströmer- Deckel mit Flachdichtung und Klammerschrauben,- eventuelle Undichtigkeiten sind nach außen möglich, nicht aber unter den Medien!

Mögliche Prinzipien

- Gegenstrom (außen innen; innen außen) Kalte Seite ist außen wegen Wärmeverlust- Gleichstrom (selten; beide innen außen bzw. außen innen)- Kreuzstrom (meistens für Kondensation in axialer Richtung, druckverlustarm)- Kreuz-Gegenstrom (ein Medium strömt spiralförmig im dicht geschweißten Kanal in

Umfangsrichtung, im Inneren ist der Kanal einseitig offen, axialerEintritt in den Bereich, hier Kreuzstrom;gegenüber liegendes Ende des Spiralkörpers ist in axialer Richtungverschlossen aber in Umfangsrichtung offen;Trennung des kondensierten und nicht kondensierten Mediums 2über 2 Stutzen in unterschiedlicher Höhe)

Anwendung: Kopfkondensator einer Kolonne


Gegenstrom Kreuzstrom Kreuzgegenstrom


Innenansicht Kreuzströmer


Auslegungskriterien

Wärmedurchgangskoeffizienten im Druckverlust im SpiralwärmeübertragerSpiralwärmeübertrager in Abhängig- in Abhängigkeit von Kanalhöhe undkeit von Kanalhöhe und Viskosität Geschwindigkeit


Merkmale und Vorteile

- Minimale Wanddicke Spiralwärmeübertrager 2 mm- Wärmeübergang im Vergleich mit RWÜ wesentlich besser- Schlechter als PWÜ bei kleiner 1 mm Plattendicke- erzielbare Flächen 140 m²/m³- flexible Kanalhöhen für verschiedene thermische Auslegungen- keine komplizierten Einbauten und Umlenkungen erforderlich- Strömungsbedingungen über die Kanallänge nahezu konstant - Aufheizung und Abkühlung über weite Temperaturbereiche möglich (Wärmerückgewinnung)- beim Einkanalsystem wenige und langsamere Verschmutzung (Selbstreinigung)- gegenüber PWÜ keine Gefahr der Stoffvermischung- sind für chemische Reinigung geeignet- mechanische Reinigung der offenen Seite möglich- geringe Druckverluste im Kreuzstrom für Gase im Vakuumbereich- geringer Wartungsaufwand


Dimension FlächeKanalbreiteKanalhöheDurchmesserAuslegungsdruck

TemperaturCoilstärkeMantelstärke

0,40 m² - 750 m² 150 mm – 2000 mm5 mm – 70 mmMaximal 2600 mmBis 20 bar – VakuumSonderfälle 45 bar-100 bis 400 °C (800 °C)2 mm – 8 mm4 mm – 30 mm

Auslegungsbedingungen Design Code ASMEAD-MerkblätterPEDChina stamp

Material Alle schweißbarenMaterialien

Normalstahl- Nickel-Legierungen, Titan usw.


Anwendungen

Chemie PVC-SchlammSuspensionen, Säuren, verschmutzte Fluide

Pharmazeutische Industrie Fluide in der FermentationcGMP Anwendungen

Papierindustrie Faserhaltige MedienFiltrate, Papierabwässer

Abwässer in der Stahlindustrie Gelöste Ammoniumsalze,NH3/H2S Wässer

Lebensmittelindustrie Pflanzenöl (Palmöl), FettsäurenAlkoholische Maischen

Abwasserbehandlung Kommunal, industriell, fließfähige Schlämme

Cyclisches Guanosinmonophosphat, zellulärer Botenstoff


Anwendung: Kopfkondensator


Quelle: Fa. Mißbach & Gärtner

Behandlung von Suspensionen an Biogas- und Kläranlagen

http://www.missbach-gaertner.de/pics/prinzip.jpg

http://www.missbach-gaertner.de/pics/spiraleoffen.jpg


Spiralwärmeübertrager aus Kunststoff werden für die Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeiten eingesetzt. Die stabilen und belastbaren Apparate zeichnet sich besonders durch die Korrosionsbeständigkeit und Chemikalienresistenz aus.

Quelle: Fa. Makatec

k-Wert: 1000 W/m²K-20 bis 80 °C6 bar max.Max. 50 m³/h

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