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Teil 1 : Überblick über die Funktionsweise von hiTRAN Turbulenzerzeugern

Teil 2 : hiTRAN Turbulatoren zur Leistungssteigerung in Kondensatoren

Teil 3 : Wärmeübertragung und Ablagerungsbildung in Rohren mit 
           Turbulenzerzeugern

Teil 1 : Überblick über die Funktionsweise von hiTRAN Turbulenzerzeugern
 

HiTRAN® Turbulatoren haben sich bei vielen betrieblichen Problemen mit Rohrbündelwärmeaustauschern als ideale Lösung erwiesen. Dieses patentierte System bietet durch die Optimierung der Wärmeaustauscherleistung die Möglichkeit der Erweiterung oder Verbesserung der Produktion und der Reduzierung der betrieblichen Kosten.

Eine Strömung durch glatte Rohre ist für die Wärmeüberstragung nicht ideal. Reibung an der Rohrwand und Scherkräfte begrenzen die radiale Bewegung der Flüssigkeit und stellen eine thermisch uneffektive Grenzstromüng dar.

In Bild 1 wird deutlich wie die laminare wandnahe Strömung (A), hier verdeutlicht durch die rote Tinte, durch die Geometrie des HiTRAN® Turbulators (B) aufgerissen wird.

Bild 1. Turbulenzeintrag durch das HiTRAN® Element. (A) Unbeeinflußte Grenzschichtströmung,
(B) Turbulenzeintrag durch den Turbulator.
 

Duch Fluidaustausch in radialer Richtung wird Fluessigkeit von der Rohrwand kontinuierlich mit Fluessigkeit aus der Rohrmitte vermischt.Dies führt in Folge der erhoehten Turbulenz zu einem wesentlich höheren Wärmeübergangskoeffizienten an der inneren Rohrwand. Der Alphafaktor α_f  ist ein Mass für die Verbesserung des rohrseitigen Wärmeübergangs durch den Einsatz der HiTRAN® Elemente. Er ist definiert sich wie folgt:

α_f = α_i(HiTRAN®) / α_i(Glattrohr)

und ist eine Funktion des Fluidzustandes welcher durch die Reynoldszahl charakterisiert wird, sowie der Packungsdichte des HiTRAN® Elements. In Bild 2 ist dieser Verstärkungsfaktor dargestellt. Den ausgeprägtesten Verstärkungseffekt, mit einem bis zu 20fach höheren Wärmeübergang im Vergleich zum Glattrohr, erzielt man im Reynolds Bereich von 200 bis 2300. Für turbulente Stömungen ist jedoch immer noch eine deutliche Verbesserung des rohrseitigen Wärmeübergangs zu beobachten.

Bild 2: Verstärkungsfaktor (alphafaktor) als Funktion der Reynolds-Zahl.
 

Die Grenzkurven des in Bild 2 dargestellten Performance Range wird durch HiTRAN® Turbulatoren mit der geringsten (Kurve 2) und der höchsten (Kurve 1) Packungsdichte gebildet. Packungsdichten zwischen den Grenzkurven lassen sich kontinuierlich variieren und erlauben optimales Design des Wärmetauschers.

Eine Erhöhung der Packungsdichten führt bei konstanter Reynoldszahl zu einem höheren Wärmeübergang. Allerdings muss auch ein höherer Widerstandsbeiwert CETA 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, das der gesammte zulässige rohrseitige Druckverlust für eine Erhöhung des Wärmeübergangs nutzbar gemacht wird.

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 Wärmeduchgangskoeffizienten für den Gesamtapparat wird für eine gewünschte Apparteleistung eine wesentlich geringere treibende Temperaturdifferenz zwischen den Prozessströmen benötigt. Hierduch 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 (siehe auch Bild 1). Die Wandschubspannung, ein Mass für die Unterdrückung von Schichtenwachstums bei Fouling, steigert sich beträchtlich.
Verweilzeitmessungen belegen, das sich das Strömungsprofil mit dem Einbau von HiTRAN® Elementen dem einer Pfropfenströmung anpasst (Siehe 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

A                                B

Bild 3: Typische Strömungs- und Temperaturprofile in einem Glattrohr (A) und einem Rohr, bestückt mit HiTRAN® Elementen

Insgesammt ergibt sich eine wesentlich gleichmässigere Flüssigkeitsverteilung im Rohr wie im gesammten 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 die Flüssigkeitsverteilung vergleichmäßigt. Da HiTRAN® Elemente den zulässigen Druckverlust vollständig nutzen ist im allgemeinen eine Vergleichmäßigung der 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 von laminar zu turbulent weist der rohrseitige Wärmeübergang eine proportionale Abhängigkeit von der Reynoldszahl auf.

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 ebenfalls ein weiteres Anwendungsfeld dar.
Die Turbulatoren werden auch oft als tool zur Effizientssteigerung oder „Debottlenecking“ von bestehenden Anlagen gewählt. Durch die Bestückung der betroffenen Wärmetauschers kann deren Leistung um ein vielfaches gesteigert werden.

Die bisherigen Ausführungen beschränkten sich auf den Einsatz von HiTRAN® Turbulatoren für einphasen Strömungen. Die Einbauten werden aber auch erfolgreich in Zweiphasen-Systemen eingebaut.

• Kondensatoren

Werden die Turbulatoren in Vertikalrohr Kondensatoren mit Kondensation auf der Rohrinnenseite eingesetzt, so lassen sich bis wiederum beträchtliche Verbesserungen des Wärmeübergangs durch Turbulenzeintrag feststellen. Besonders bei Mehrstoff -Gemisch Kondensatoren sowie bei Kondensatoren mit Inertgasen, bei denen die Kondensation zusätzlich durch den Stofftransportwiderstand an der Phasengrenze kontrolliert wird, zeigt sich, das die Turbulatoren den Wärme- und Stofftransport deutlich verbessern. Insbesondere dann, wenn während der Kondensation latente Wärme aus der Gasphase zur Kühlung abgeführt werden muß, kann der Flächenbedarf durch den Einbau von HiTRAN® Turbulatoren oft mehr als halbiert werden.
Aufgrund des erhöhten Druckverlustes werden bei diesen Anwendungen die Turbulatoren oft nicht über die gesammte Rohrlänge eingebaut. Am Austritt des Kondensers 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.
 

• Verdampfer

Bei der Verdampfung im Rohr lassen sich verschiedene Bereiche des Wärmeübergangs unterscheiden. Bei Naturumlaufverdampfern liegt die Flüssigkeit am Eintritt im allgemeinen unterkühlt vor, durch den Einbau von HiTRAN® Elementen läßt sich diese ungewollte Zone oft beträchtlich verkürzen.
Generell wird davon ausgegangen, das zur Berechnung des Wärmeübergangs im Zweiphasengebiet die Anteile der Zwangskonvektion und des Blasensiedens addiert werden. Falls die Zwangskonvektion dominiert, so ist auch hier eine deutliche Verbesserung des Wärmeübergangs durch den Einsatz von HiTRAN® Elementen zu erwarten. Hydrodynamische Versuche deuten außerdem daruf 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.

HiTRAN® Elemente werden in Abmessungen von 4mm bis 150mm nach Kundenerfordernissen hergestellt. Als Materialien kommen alle Metalle zur Anwendung.

Jeder Turbulator weist durch seine frei wählbare Packungsdichte eine ihm eigene Wärmeübergangs- und Druckverlust Charakteristik auf. Zur Bestimmung dieser maßgeschneiderten Turbulator Geometrie kann das im folgenden kurz vorgestellte Berechnungstool hiTRAN.SP benutzt werden.

Nach Ausfüllen einer Antragsform erhalten Sie kostenfrei von der Firma Calgavin ltd ein unter Windows laufendes Berechnungsprogramm zur Auslegung von Wärmetauschern mit HiTRAN® Turbulatoren.

Bild 4.: Graphische Benutzeroberfläche von hitranSP zur Berechnung von Wärmetauschern mit Turbulatoren

Mit der aktuellen Version 1.1.  lassen sich auschließlich Wärmetauscher für Einphasen Strömungen berechnen.

Nach Eingabe von Geometrie, Prozess und Stoffdaten läßt sich mit hilfe dieses Programmes der mittlere rohrseitige Wärmeübergang berechnen. Randbedingung ist hierbei der maximal erlaubte rohrseitige Druckverlust. Aufgrund dieser Vorgabe wird ein Turbulator mit maximal möglicher Packungsdichte errechnet. Dieses Berechnungstool stellt sicher, das die vorhandene Strömungsenergy maximal in Turbulenz umgewandelt wird.

Das Berechnungstool HiTranSP erlaubt den Fileimport von HTRI und HTFS Software der beiden am weitesten verbreiteten Designprogramme zur Brechnung von Wärmetechnischen Apparaten.

Teil 2 : hiTRAN Turbulatoren zur Leistungssteigerung in Kondensatoren

Teil 3 : Wärmeübertragung und Ablagerungsbildung in Rohren mit 
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