Fachübersicht
Das Modul TEB berechnet Rohrböden von Rohrbündelwärmeübertragern nach TEMA Section 5 (Ausgabe 1999) — dem Regelwerk der Tubular Exchanger Manufacturers Association, das im Apparatebau weltweit als Referenz für die mechanische Auslegung von Rohrbündelapparaten dient. Behandelt werden die verschiedenen Rohrboden-Bauarten (fest verschweißt, gedichtet, U-Rohr-Boden, unterstützter Rohrboden) über die zugehörigen TEMA-Kurven, mit und ohne Kompensator im Mantel.
Der Rohrboden ist das am höchsten beanspruchte Bauteil des Wärmeübertragers: Er trägt gleichzeitig mantel- und rohrseitigen Druck, die Schraubenkräfte und Flanschmomente der Dichtverbindungen sowie — bei Apparaten mit zwei festen Rohrböden — die Zwangskräfte aus der unterschiedlichen Wärmedehnung von Mantel und Rohren. TEMA erfasst diese thermische Zwangsbeanspruchung über den äquivalenten Ausdehnungsdruck und die Flanschbelastung über äquivalente Schraubendrücke, sodass alle Lastanteile in einer effektiven Druckdifferenz zusammengefasst werden.
Gebraucht wird die Berechnung bei jeder Neuauslegung und Nachrechnung von Rohrbündelwärmeübertragern nach TEMA — häufig parallel zur Druckbehälterberechnung nach ASME Section VIII. Über die Kopplung an das Zusatzmodul TEM lassen sich zusätzlich die Längsspannungen in Mantel und Rohren nachweisen.
Anwendungsbereich
- ASME-TEB TEMA standards 1999
Typischer Arbeitsablauf
Bauart und Lastfälle festlegen
Zunächst werden die Rohrboden-Ausführung (Kurven U, H usw. je nach Einspannung und Unterstützung) und die zu untersuchenden Lastfälle definiert: mantelseitiger Druck, rohrseitiger Druck, beide gemeinsam, jeweils mit und ohne thermische Zwangsbeanspruchung sowie der Einbauzustand.
Werkstoff- und Temperaturkennwerte bestimmen
Für Rohrboden, Mantel und Rohre werden bei den jeweiligen Berechnungstemperaturen die zulässigen Spannungen, Elastizitätsmoduln und Wärmeausdehnungskoeffizienten aus den Material-Temperatur-Kurven ermittelt.
Äquivalente Drücke berechnen
Die thermische Längendifferenz zwischen Mantel und Rohren wird in den äquivalenten Ausdehnungsdruck umgerechnet (RCB-7.161); Flanschmomente aus Betriebs- und Einbauzustand liefern die äquivalenten Schraubendrücke rohr- und mantelseitig (RCB-7.162). Ein vorhandener Kompensator geht über seine Federkonstante und den Faktor J ein und reduziert die Zwangskräfte.
Effektive Druckdifferenz und maßgebender Lastfall
Aus Betriebsdrücken, Ausdehnungsdruck und Schraubendrücken werden für alle Lastfallkombinationen die effektiven Bemessungsdrücke des Rohrbodens gebildet; der betragsgrößte Wert wird maßgebend.
Erforderliche Rohrbodendicke ermitteln
Mit dem maßgebenden Druck, dem Einspannfaktor F der gewählten Kurve und der zulässigen Spannung wird die erforderliche Dicke aus Biege- und Schubnachweis nach TEMA berechnet; hinzu kommen Korrosionszuschläge und ggf. Nut-Tiefen der Dichtung.
Kopplung an den Längsspannungsnachweis
Optional werden die Ergebnisse an das Modul TEM übergeben, das die axialen Spannungen in Mantel und Rohren sowie die Rohr-Rohrboden-Verbindung für dieselben Lastfälle nachweist.
Häufige Fragen
Was ist der äquivalente Ausdehnungsdruck?
Bei Apparaten mit zwei festen Rohrböden dehnen sich Mantel und Rohre unterschiedlich aus — durch unterschiedliche Temperaturen und Wärmeausdehnungskoeffizienten. Da beide über die Rohrböden starr gekoppelt sind, entstehen Zwangskräfte. TEMA rechnet diese Zwangsbeanspruchung in einen fiktiven Druck um, der der tatsächlichen Differenzdehnung dieselbe Rohrbodenbeanspruchung zuordnet. So lässt sich der thermische Lastfall mit denselben Formeln behandeln wie die Druck-Lastfälle.
Wann brauche ich einen Kompensator im Mantel?
Wenn der äquivalente Ausdehnungsdruck die Rohrbodendicke, die Rohr-Axialspannungen oder die Rohr-Rohrboden-Verbindung unzulässig hoch beansprucht — typisch bei großen Temperaturdifferenzen zwischen Mantel und Rohren oder bei Werkstoffpaarungen mit stark unterschiedlicher Wärmedehnung (z. B. C-Stahl-Mantel mit Austenit-Rohren). Der Kompensator senkt über seine geringe Federsteifigkeit die Zwangskräfte; alternativ kommen U-Rohr- oder Schwimmkopfbauarten in Betracht, die die Differenzdehnung konstruktiv freigeben.
Warum müssen mehrere Lastfallkombinationen gerechnet werden?
Weil die Anteile sich nicht immer ungünstig addieren: Mantel- und Rohrseitendruck wirken auf den Rohrboden entgegengesetzt, und der Ausdehnungsdruck kann je nach Temperaturverteilung entlasten oder belasten. Maßgebend kann daher auch ein Teillastfall sein — etwa nur Rohrseitendruck beim Anfahren, bevor der Mantel auf Temperatur ist. TEMA verlangt deshalb die systematische Untersuchung aller Kombinationen einschließlich des Einbauzustands mit Schraubenvorspannung.
Welches Verhältnis besteht zwischen TEMA und ASME Section VIII (UHX)?
TEMA Section 5 ist das historisch etablierte, halbempirische Verfahren; ASME hat mit Part UHX eine analytisch strengere Rohrbodenberechnung eingeführt, die die elastische Wechselwirkung von Rohrboden, Rohrfeld, Mantel und Kanal genauer abbildet. Für Code-Stamp-Apparate nach ASME ist UHX verbindlich; TEMA bleibt für Vergleichsrechnungen, Bestandsapparate und Märkte ohne UHX-Pflicht verbreitet. Die Ergebnisse können deutlich voneinander abweichen, insbesondere bei dünnen Rohrböden.
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7