144
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
145
Berechnung von Wärmeübertragern
Eingeführt: ,i
iif
sRλ
=,a
aaf
sRλ
=, Fouling-Widerstand (“Fouling Factor”)
5.1 Begriffe
Vergleich mit sauberem Rohr liefert:
(Platte: )
Verhältnis : d
c
+⋅⋅+=
⋅⋅⋅⋅
= afi
aifc
mbd
mbc
d
c RddRk
AkAk
,,1ΘΘ
Rohr
( )afifcd
c
d
c RRkkk
,, +⋅+== 1
Platte
(Annahme: Ab = Aa)
146
Berechnung von Wärmeübertragern
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
148
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
149
Berechnung von Wärmeübertragern
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
150
Berechnung von Wärmeübertragern
5.2 Ablagerungsarten (Beispiele)
Kristallisationsfouling(Milchstein)
Biofouling(Proteinanlagerung)
151
Berechnung von Wärmeübertragern
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)
152
Berechnung von Wärmeübertragern
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
Berechnung von Wärmeübertragern
5.3 Auswirkungen von Ablagerungen
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
Berechnung von Wärmeübertragern
5.3 Auswirkungen von Ablagerungen
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
d
c
mbd
mbc
d
c
kk
AkAk
=Θ⋅⋅Θ⋅⋅
=
−⋅+== mdk
kk
d
cc
c
c
d
c
d
c 21λα
αξ
155
Berechnung von Wärmeübertragern
5.3 Auswirkungen von Ablagerungen
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
Schmutzart: Korrosions-produkte
156
Berechnung von Wärmeübertragern5.4 Maßnahmen zur Ver-
hinderung / Reduzierung von Ablagerungen
Reduzierung von Fouling heißt:
Rf
0
tA Zeit
-Rf,∞
-
-
157
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)
158
Berechnung von Wärmeübertragern
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
159
Berechnung von Wärmeübertragern
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.
160
Berechnung von Wärmeübertragern
5.5 Reinigung von Wärmeübertrager
- 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
161
Berechnung von Wärmeübertragern
5.5 Reinigung von Wärmeübertrager
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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