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Grundlagen der Wärme- undKältetechnik
Teil 1: WärmeübertragerVorlesung XIII
Rohrwendel / Spiralwärmeübertrager
Dresden, 18.01.2010
Fakultät für Maschinenwesen, Institut Energietechnik, Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung
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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
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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)
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Rohrwendel
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Quelle: Wagner Thermo
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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
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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:
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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
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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
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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
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Speisewasservorwärmer
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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
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Quelle: Fa. GEA
Medium k-Wert(W/m²K)
Flüssig-Flüssig
700-2500
Kond. Dampf / Flüssigkeit
900-3500
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Herstellung
1. Punkten2. Wickeln3. Schweißen der Kanalabschlussnähte4. Zusammenbau
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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
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- 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
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Gegenstrom Kreuzstrom Kreuzgegenstrom
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Innenansicht Kreuzströmer
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Auslegungskriterien
Wärmedurchgangskoeffizienten im Druckverlust im SpiralwärmeübertragerSpiralwärmeübertrager in Abhängig- in Abhängigkeit von Kanalhöhe undkeit von Kanalhöhe und Viskosität Geschwindigkeit
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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
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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.
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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
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Anwendung: Kopfkondensator
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Quelle: Fa. Mißbach & Gärtner
Behandlung von Suspensionen an Biogas- und Kläranlagen
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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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