Modul B51

Wärmespannungen sind nach AD-Merkblatt S 3/7 insbesondere bei Überschreitung einer Wärmedehnungsdifferenz zwischen Mantel und Rohren während des Betriebes von

zu erwarten.

Bei Rohrbündelwärmeübertragern mit einem Durchmesser bis 1200 mm und zulässigem Betriebsdruck bis 10 bar kann nach AD-Merkblatt S 3/7 die Berechnung der Wärmespannungen erfolgen zu

Für den Mantel und in den Randrohren

Die verfahrenstechnischen Berechnungen gestatten es, über die Wärmeübergangszahlen und die mittleren Temperaturen von Mantel und Rohren für praktische Anwendungen die zulässige Temperaturdifferenz Δt_m zu bestimmen, bei deren Überschreitung ein Kompensator erforderlich wird. Hierbei ist zu prüfen, ob evtl. An- oder Abfahrvorgänge bzw. thermische Reinigungs­prozesse zu größeren Δt_m führen können.

In Abb. 10.34 ist für die Medienführung festgelegt:

mit

·         t₁ mittlere Temperatur in den Rohren

·         t₂ mittlere Temperatur um die Rohre

·         t₃ mittlere Wandtemperatur Innenrohr

·         t₄ mittlere Wandtemperatur Mantel

·         t₅ Umgebungstemperatur (gegebenenfalls Wärmedämmung berücksichtigen)

·         Δt_p mittlere Temperaturdifferenz der Medien

·         Δt_w zulässige Temperaturdifferenz nach Medienführung

Abb. 10.34 Definition der zulässigen Temperaturdifferenz

für folgende Medienführungen:

Kaltes Medium um die Rohre:

bei dieser Art der Beaufschlagung liegt die mittlere Wandtemperatur der Innenrohre über der des Mantels. Hierdurch werden die Innenrohre auf Knickung beansprucht. Mit der zulässigen Temperaturdifferenz von

Δt_wzul ≤ 30 K

wird die resultierende Beanspruchung der Werkstoffe auf einen noch zulässigen Wert begrenzt. Bei Ausfall des kühleren Mediums um die Rohre kann die mittlere Wandtemperatur der Innenrohre fast der Temperatur in den Rohren entsprechen, während die mittlere Wandtemperatur des Mantels nahezu konstant bleibt, auch unter diesen Bedingungen soll Δt_wzul nicht überschritten werden. (Bei ROHRBÜNDELWÄRMEÜBERTRAGER in Mischkonstruktion -Innenrohre aus nichtrostendem Stahl, Mantel aus unlegiertem Stahl - treten wegen der unterschiedlichen a-Werte schon bei sehr geringen zwischen den mittleren Wandtemperaturen der Innenrohre und des Mantels unzulässig hohe Knickspannungen auf. Deshalb ist die Beaufschlagung mit kälterem Medium um die Rohre in dieser Ausführung zu vermeiden).

Warmes Medium um die Rohre:

In Abhängigkeit der Werkstoffe sind folgende Grenzwerte festgelegt:

Rohrbündel und Mantel aus demselben Werkstoff

unlegierter Stahl – unlegierter Stahl               Δt_wzul ≤ 50 K

nichtrost. Stahl – nichtrost. Stahl                    Δt_wzul ≤ 50 K

(die Innenrohre werden nur auf Zug beansprucht)

Rohrbündel aus nichtrostendem Stahl, Mantel aus unlegiertem Stahl:

bei Eintrittstemperatur 120 °C  Δt_wzul40 K

(bei dieser Mischkonstruktion treten wegen der unterschiedlichen α-Werte auch bei gleicher Erwärmung von Mantel und Innenrohren in diesen Knickspannungen auf, die bereits bei etwa 120 °C die Grenze des Zulässigen überschreiten. Die durch die Temperaturdifferenzen hervorgerufenen Kräfte wirken bei warmen Medium um die Rohre diesen Knickspannungen entgegen).

In 'Wegener E., Apparatefestigkeit 10/1 'Ebene Böden, Platten, Anker (3). Lehrbriefreihe für das Fachschul-Fernstudium. DDR' Karl-Marx-Stadt 1978 werden unter Bezug auf 'Bedingungen für den Kompensatoreinsatz bei Rohrbündelwärmeübertragern mit festem Rohrbündel, Innerbetriebliche Arbeitsanweisung des VES Chemieanlagenbaukombinat Leipzig-Grimma' etwas abweichende Werte festgelegt mit der Bemerkung, dass beeinflussende Parameter, wie unterschiedliche Temperaturbereiche, Druck, Durchmesser, Breite des unberohrten Randes und Länge des Rohrbündels unberücksichtigt bleiben, und die genannten Grenzen nur mit Einschränkungen zu verwenden sind.

Wenn folgende Werte aus der wärmetechnischen Berechnung bekannt sind:

Eingangstemperaturen:

·         im Mantelraum t₁^'

·         im Rohrraum t₂^'

Ausgangstemperaturen:

·         im Mantelraum t₁^''

·         im Rohrraum t₂^''

Wärmeübergangszahlen:

·         im Mantelraum α_l

·         im Rohrraum α₂

können die mittleren Temperaturen bestimmt werden

im Mantel:

In den Rohren:

und

Δt_m=|t_Mm-t_Rm|

Bei kondensierendem Dampf/Wasser wird t_Mm = t_mD und damit:

Ein Kompensator ist nicht erforderlich, wenn die mittlere Wandungstemperatur folgende Werte nicht übersteigt:

Die Werte beziehen sich auf Rohrbündelwärmeübertrager mit festem Rohrbündel, deren Lastspielzahl N < 10³ ist.

Bild 11 – Maße der Ellipse im größten unberohrten Gebiet

Bilder 12 - Unbeweglicher Rohrboden als Gegenflansch, am Mantel angeschweißt, für RBW mit festem Rohrbündel mit oder ohne Dehnungsausgleicher im Mantel oder für RBW mit Stopfbuchse. Auch für RBW mit Schwimmkopf oder U-Rohren möglich.

Formelzeichen:

9.1. Für RBW mit festen Rohrböden ist ein Ermüdungsfestigkeitsnachweis erforderlich.

1.0. Hilfsgrößen