Beispiel: Sauberes Rohr (vgl. Kap. 3) 1 1 ln( ) d d 1 a i ... · PDF file144 Berechnung von...

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Berechnung von Wärmeübertragern

Beispiel: Sauberes Rohr (vgl. Kap. 3)

( )aaWand

ia

iibc ALdd

AAk ⋅+

⋅⋅⋅+

⋅=

⋅ αλπα1

211 /ln (Index c … clean)

ai

a

Wand

a

ii

a

c ddd

dd

k αλα1

21

+

⋅

⋅+

⋅= lnMit Ab=Aa folgt Lda ⋅⋅= π

(Index d … dirty)

(sa, si … Dicke der Ablagerungen innen und außen an Rohroberfläche)

Annahme: Durch Verschmutzung entstehen Ablagerungen, die dünn im Vergleich zu Rohrdurchmesser sind ( , ).constAi ≈ .constAa ≈

Schmutziges Rohr

5. Verschmutzung5.1 Begriffe

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Eingeführt: ,i

iif

sRλ

=,a

aaf

sRλ

=, Fouling-Widerstand (“Fouling Factor”)

5.1 Begriffe

Vergleich mit sauberem Rohr liefert:

(Platte: )

Verhältnis : d

c

QQ

+⋅⋅+=

⋅⋅⋅⋅

= afi

aifc

mbd

mbc

d

c RddRk

AkAk

QQ

,,1ΘΘ

Rohr

( )afifcd

c

d

c RRkkk

QQ

,, +⋅+== 1

Platte

(Annahme: Ab = Aa)

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5.1 Begriffe

Größenordnung der “Fouling”-Widerstande:W

Km1014)(0,82

4−⋅−=fR

destilliertes Wasser

Abwasser

- Art des Fluides, Zusammensetzung,Reinheit, Temperatur und Geschwindigkeit

Einflussfaktoren auf “Fouling”:

- Material, Oberflächenzustand, Formder Heiz- oder Kühlflächen

- Zeit

Für Praxis: - Sammlung von Erfahrungswerten (TEMA-Tabellen)Tubular

Exchanger ManufacturerAssociation

- Erfahrungswerte verfügbar vornehmlich für Wasser und Kohlen-wasserstoffe

- TEMA-Werte führen zur Überdimensionierung von ca. 35%

- Prozessbedingungen, Strömungsgeschwindigkeit, Fluidtempe-ratur, Wärmestromdichten

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Tabellen: Verschmutzungen von Wärmeübertragern

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Berechnung von WärmeübertragernBeispiel: Vergleich des tatsächlichen Foulingverhaltens kühl-

wasserseitig mit TEMA-Werten

Betriebssituation: - Kupferrohr, - chemisch behandeltes Kühlwasser (60 °C)

Fouling-Widerstand bei Platten-WÜ als Funktion von Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit

Fouling-Verlaufskurven

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5.2 Ablagerungsarten

Während des Betriebs können Ablagerungen und Deckschichten entstehen, die den Wärmeübergang behindern und den Druckverlust vergrößern. Diese Ver-schmutzungen werden Fouling genannt. Man unterscheidet

bei Abscheidung aus der flüssigen Phase:

-(Oxidation Korrosion)

-z.B. Rost, Sand im Kühlwasser, tritt bei w < 1,5 m/s auf

-Wachstum von Mikroorganismen (z.B. Bakterien), ins-besonders bei Titan- und Edelstahlrohren

bei Abscheidung aus gasförmiger Phase:---

-z.B. Überschreitung Lösungsgleichgewicht durch Temperaturerhöhung (Kalziumkarbonatablagerungen)

Kristallisationsfouling

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5.2 Ablagerungsarten (Beispiele)

Kristallisationsfouling(Milchstein)

Biofouling(Proteinanlagerung)

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5.2 Arten der Ablagerungen

Fouling-Verlaufskurven (zeitl. Änderung des Fouling-Widerstandes):

a Lineares Wachstum (Krustenbildung)b Abnehmendes Wachstum je Zeiteinheitc Asymptotisches Wachstum an Endwert

a) - c) Fouling ohne Anlaufzeit

d) - e) Fouling mit Anlaufzeitf) Wachstum unter periodischen

Schwankungen(Simultane Kustenbildung und Sedimentation)

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5.3 Auswirkungen von Ablagerungen

Beispiel: Plattenwärme-übertrager

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

0 50 100 150 200 250

Hea

t flo

w r

ate

[kW

]Q_1_SQ_1_W

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 50 100 150 200 250Time [h]

Pre

ssur

e dr

op v

aria

tion

dp/d

p_0

[-]

153



Beispiel: Turbulent durchströmtes Rohr, Fouling auf Innenseite des Rohres

- Wärmeübergang Fluid an Rohrwand ausmd )( dw ⋅≅⋅α1−

⋅

=

mm

d

c

d

c

d

c

dd

ww

αα

mReNu ≅

(Index c … cleand … dirty)

- Aus Kontinuitätsgleichung folgt2

=

c

d

d

c

dd

ww

- Geometriebetrachtung )(c

ccd dddd δδ 212 −=−= (δ … Schmutzschicht-

dicke))( ξ21−= cd dd cd/δξ =

- Modifizierte Form für Wärmeübergang Fluid an Rohrwand

1112

21 +

+−

−=

=

⋅

= m

mmm

d

c )( ξαα

c

d

d

c

c

d

dd

dd

dd

154



Annahme: Ab = Ai

a

i

ai

a

Wand

i

d

i

dirt

i

d

i

dd dd

ddd

ddd

dd

k⋅+

⋅

⋅+

⋅

⋅+⋅=

αλλα1

2211 lnln

a

i

ai

a

Wand

i

dirt

i

d dd

dddd

⋅+

⋅

⋅+

−

⋅⋅

+−

⋅=αλξλξα1

2211

22111 lnln

a

i

ai

a

Wand

i

cc dd

ddd

k⋅+

⋅

⋅+=

αλα1

211 lnMit

Die Vereinfachungen und liefert:ξξ mm 2121 −≈− )( ξξ

221

1≈

−

ln

Verhältnis : d

c

QQ

d

c

mbd

mbc

d

c

kk

AkAk

QQ

=Θ⋅⋅Θ⋅⋅

=

−⋅+== mdk

kk

QQ

d

cc

c

c

d

c

d

c 21λα

αξ

155



Beispiel:

0,8mK)W/(m5000

K)W/(m2000

W/(mK)0,1W/(mK)52m0,021dm0,025d

2a

2c

dirt

Wand

i

a

=

=

=

=

==

=

α

α

λλ

Schmutzschichtdicke mm

c

d

QQ

Schmutzart: Korrosions-produkte

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Berechnung von Wärmeübertragern5.4 Maßnahmen zur Ver-

hinderung / Reduzierung von Ablagerungen

Reduzierung von Fouling heißt:

Rf

0

tA Zeit

-Rf,∞

-

-

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Berechnung von Wärmeübertragern5.4 Maßnahmen zur Ver-

hinderung / Reduzierung von Ablagerungen

a) Behandlung des Fluids: - Entfernung der zur Verschmutzung beitragenden Substanzen (Filtern, Entgasen)

b) Besondere apparative Maßnahmen:

c) Besondere Betriebsbedingungen:

- Zusatz von Inhibitoren gegen Korrosion- Zusatz von Inhibitoren gegen Krustenbildung- Zusatz von chemischen Mitteln gegen Algen, Bakterien, Pilze- Aufbringen von elektrischen oder magnetischen Feldern

- gute konstruktive Gestaltung (keine Totzonen)- geeignete Bauart für jeweiligen Anwendungsfall- kontinuierliche / periodische Entfernung der Verschmutzung während Betrieb

- Optimale oder angepasste Strömungsgeschwindigkeit- Erzwungene Strömung anstelle freier Konvenktion- Senkung von Wandtemperaturen- Vermeiden von Sieden- Verlagerung der Verschmutzung an andere Stelle

- Oberflächenbehandlung (Rauhigkeit, Oberflächenenergie)

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a) Einfluss der Rauhigkeit:

b) Einfluss der Oberflächenenergie:(Flüssigkeitskontaktwinkel)

c) Einfluss zunehmender Fluidge-schwindigkeit:

- Steigung bleibt konstant- Anlaufzeit wird verlängert

- Anlaufzeit wird verlängert- Steigung nimmt ab

5.4 Maßnahmen zur Ver-hinderung / Reduzierung von Ablagerungen

Rf

0

tA Zeit- Steigung bleibt konstant- Anlaufzeit wird verlängert

Rf

0

tA Zeit

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5.5 Reinigung von Wärmeübertrager

5.5.1 Offline-Verfahren

- Spülen: Entfernen von Salzresten und loser Schlammablagerungen mit Hilfe von Druckwasser. Keine Entfernung von Biofouling-, Scaling und Korrisionsprodukten.

- Durchschießen von Projektilen (Bürsten, Metallschaber, Kunststoffkörper):Entfernen von Suspensionen und „schleimiges“ Biofouling, kein vollständiges Entfernung von Scaling und Korrisionsprodukten,Problem einer mögl. Beschädigung der Innenrohroberfläche.

- Hochdruckreinigung:Sonden werden langsam durch Rohre geschoben, mit Hochdruck (ca. 1000 bar) treten mehrere Wasserstrahlen aus, Entfernung auch starker Scalingschichten möglich.

- Beizen: Entfernung von Scalingschichten und Korrosionsprodukten mittels organischer / anorganischer Säuren, Durchführung undEntsorgung der Beizlösungen problematisch nur noch seltene Anwendung.

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- ABEKA-Verfahren: Harte kugelförmige Reinigungskörper werden durch Rohr mit größerem Innendurchmesser gespült, nach Auffangen in Trichtersieb und Pumpen vor Wärmeübertrager, erneute Einspeisung,Reinigungswirkung durch wechselnde Wandberührung der (kleineren) Kugeln, vorrangiger Einsatz im ehemaligen Ostblock, Nachteil: unzureichende Reinigungswirkung.

- Bürstenverfahren (MAN-Verfahren):Aufsetzen von Käfigen am Ende eines jeden Rohres (in dem sich eine Bürstebefindet), durch StrömungsumkehrBürstenbewegung von einem Käfig zum anderen, Nachteil: geringe Reinigungswirkung, Erfordernis der Strömungsumkehr.

5.5.2 Online-Verfahren

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Reinigungskugeln, Quelle: Taprogge

- TAPROGGE-Verfahren: Verwendung von Gummischwammkugeln, die größer sind als der Innendurchmesser der Rohre. Rohre werden auf gesamter Längeam vollen Umfang gereinigt.Aufbau der Kugeln: Schwammgummi aus vulkanisiertem Natur-kautschuk, durch einge-mischtes Polier- / Schleif-mittel bzw. Beschichtung abrasive Wirkung

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