Fachübersicht
Das Modul berechnet den Druckverlust in umströmten Rohrbündeln von Rohrbündel-Wärmeübertragern mit und ohne Umlenkbleche nach VDI-Wärmeatlas, Kapitel L1.5 (12. Auflage 2019). Der mantelseitige Druckverlust ist neben dem Wärmeübergang die zweite zentrale Größe der thermohydraulischen Auslegung: Er bestimmt die erforderliche Förderleistung auf der Mantelseite und begrenzt in vielen Anlagen die zulässige Umlenkblechteilung und Strömungsgeschwindigkeit.
Die reale Mantelraumströmung ist deutlich komplexer als die ideale Querströmung: Umlenkbleche zwingen das Fluid abwechselnd quer durch das Bündel und längs durch die Fensterzonen; dazu kommen Leckageströme durch die Spalte zwischen Rohren und Umlenkblechbohrungen sowie zwischen Umlenkblech und Mantel und Bypassströme zwischen Bündel und Mantelwand. Das Berechnungsverfahren des VDI-Wärmeatlas zerlegt den Mantelraum deshalb in Querströmungs-, Fenster-, Ein- und Austrittszonen und korrigiert den idealen Bündeldruckverlust mit Faktoren für Leckage und Bypass.
Wer den mantelseitigen Druckverlust eines Wärmeübertragers berechnen will, erhält mit diesem Modul die zonenweise aufgeschlüsselten Anteile und kann gezielt erkennen, ob Umlenkblechabstand, Spaltmaße oder Dichtleisten die Hydraulik dominieren.
Anwendungsbereich
- Druckverlust in umströmten Rohrbündeln in Wärmeübertragern mit und ohne Umlenkbleche
Typischer Arbeitsablauf
Geometrie des Mantelraums erfassen
Manteldurchmesser, Rohrdurchmesser, Teilung und Anordnung, Umlenkblechabstand und -ausschnitt sowie die Spaltmaße (Rohr/Umlenkblechbohrung, Umlenkblech/Mantel, Bündel/Mantel) werden festgelegt – sie bestimmen die Aufteilung der Teilströme.
Idealen Querströmungsdruckverlust berechnen
Für die Querströmungszone zwischen zwei Umlenkblechen wird der Druckverlust des ideal quer angeströmten Bündels nach den Korrelationen für Glattrohrbündel (Kapitel L1.4) bestimmt, mit der Geschwindigkeit im engsten Querschnitt und der Anzahl der durchströmten Rohrreihen.
Leckage- und Bypasskorrekturen anbringen
Korrekturfaktoren erfassen, dass ein Teil des Massenstroms durch die Spalte an Rohren und Umlenkblechen (Leckage) und am Bündel vorbei (Bypass) strömt und damit nicht als Querströmung wirksam wird; Dichtleisten reduzieren den Bypassanteil und gehen in die Faktoren ein.
Fensterzonen berechnen
In den Umlenkfenstern wird das Fluid umgelenkt und längs durch das Bündel geführt; der Fensterdruckverlust wird aus einer kombinierten Quer-/Längsströmungsbeziehung mit der mittleren Geschwindigkeit im Fenster bestimmt.
Ein-/Austrittszonen und Gesamtdruckverlust bilden
Für die erste und letzte Zone gelten wegen der Stutzenanströmung und der abweichenden Rohrreihenzahl eigene Ansätze. Der mantelseitige Gesamtdruckverlust ergibt sich aus der Summe aller Querströmungs-, Fenster- und Endzonen zuzüglich der Stutzenverluste.
Häufige Fragen
Warum liegt der reale mantelseitige Druckverlust deutlich unter dem des idealen Querstrombündels?
Weil Leckage- und Bypassströme einen erheblichen Teil des Massenstroms an der Querströmung vorbeiführen – durch die Spalte zwischen Rohren und Umlenkblechbohrungen, zwischen Umlenkblech und Mantel sowie im Randspalt zwischen Bündel und Mantelwand. Je nach Fertigungsspiel können diese Teilströme zusammen 30 bis 50 % ausmachen; sie senken den Druckverlust, verschlechtern aber gleichzeitig den Wärmeübergang.
Welchen Einfluss hat der Umlenkblechabstand?
Ein kleinerer Abstand erhöht die Quergeschwindigkeit und verbessert den Wärmeübergang, lässt den Druckverlust aber überproportional wachsen, da mehr Umlenkungen und Fensterdurchgänge anfallen. Zu große Abstände fördern dagegen Längsströmung und schwingungsanfällige, schlecht durchströmte Zonen. Üblich sind Abstände zwischen etwa 0,2 und 1,0 Manteldurchmessern.
Wozu dienen Dichtleisten im Bypass-Spalt?
Dichtleistenpaare zwingen den Bypassstrom zwischen Bündel und Mantelwand zurück ins Bündel. Sie erhöhen den wirksamen Querstrom und damit den Wärmeübergang, gleichzeitig steigt der Druckverlust. In den Korrekturfaktoren des Verfahrens gehen sie über das Verhältnis von Dichtleistenpaaren zur Rohrreihenzahl ein; ab etwa einem Paar je fünf Rohrreihen ist der Bypasseinfluss weitgehend unterdrückt.
Gilt das Verfahren auch ohne Umlenkbleche?
Ja, das Modul deckt auch den Fall des längs durchströmten Bündels ohne Umlenkbleche ab; der Druckverlust wird dann nach Art einer Kanalströmung mit dem hydraulischen Durchmesser des Zwischenrohrraums berechnet. Er ist deutlich niedriger als bei Querströmung – ebenso wie der Wärmeübergang, weshalb umlenkblechfreie Bauarten vor allem bei druckverlustkritischen Anwendungen gewählt werden.
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7