Grundlagen der Wärmeübertragung

Einführung

Wie bereits erwähnt, ist das Grundprinzip der Wärmeübertragung äußerst einfach: Zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Temperaturen werden mit einer leitenden Barriere (der Rohrwand) in Kontakt gebracht und Wärme wird von der heißeren Flüssigkeit auf die kältere Flüssigkeit übertragen, bis sie das gleiche Temperaturniveau erreichen. In industriellen Prozessen wird dies in Wärmetauschern verschiedener Typen und Ausführungen durchgeführt, die in der Regel speziell für den Prozess und die Bedingungen vor Ort gebaut werden.

Dieser Abschnitt befasst sich mit Schlüsselelementen der Theorie des Wärmeaustauschs und der Konstruktion von Wärmetauschern, die an anderer Stelle im Abschnitt Ressourcen nicht behandelt werden.

Flüssigkeitstypen

Die Flüssigkeiten für Produkt- und Dienstleistungssysteme, mit denen der Konstrukteur von Wärmetauschern arbeiten muss, sind so vielfältig wie die Prozesse, bei denen Wärmetauscher eingesetzt werden. Sie können jedoch in zwei sehr weit gefasste Kategorien eingeteilt werden:

• Newtonsch – Die Eigenschaft, die als Viskosität definiert ist, ist unabhängig von der Schergeschwindigkeit der Flüssigkeit.
• Nicht-Newtonsches Material – Die Eigenschaft, die als Viskosität definiert ist, hängt von der Scherrate der Flüssigkeit ab.

Einfach ausgedrückt, hängt die effektive Viskosität einer Newtonschen Flüssigkeit nicht von der Geschwindigkeit ab, mit der sie durch ein Rohr oder einen Schlauch fließt, bei einer Nicht-Newtonschen Flüssigkeit jedoch schon.

Neben der Viskosität der Arbeitsflüssigkeiten sind vier weitere Eigenschaften bei der Modellierung der Wärmeübertragungsleistung von großer Bedeutung.

• Dichte – die Masse der Flüssigkeit pro Volumeneinheit, die sich direkt auf die Geschwindigkeit auswirkt, mit der die Flüssigkeiten durch ein System fließen.
• Spezifische Wärme – die Wärmemenge, die eine bestimmte Masse einer Flüssigkeit benötigt, um die Temperatur um 1° zu ändern.
• Wärmeleitfähigkeit – die Geschwindigkeit, mit der Wärme durch eine Flüssigkeit fließen kann.
• Latente Wärme – die Wärmemenge, die eine bestimmte Masse einer Substanz benötigt, um ihren Zustand zu ändern, d.h. zu schmelzen, wenn es sich um einen Feststoff handelt, zu gefrieren, wenn es sich um eine Flüssigkeit handelt, zu verdampfen, wenn es sich um eine Flüssigkeit handelt oder zu kondensieren, wenn es sich um ein Gas handelt.

Ebenso wichtig für den Betrieb sind die Korrosionseigenschaften der Flüssigkeit, die die endgültige Auswahl der Konstruktionsmaterialien beeinflussen, die der Konstrukteur verwenden muss.

Es ist besonders wichtig, Flüssigkeiten zu identifizieren, die bekanntermaßen einen hohen Chloridgehalt aufweisen, da diese bei einigen Edelstahlsorten zu Spannungsrisskorrosion führen können. Alle Flüssigkeiten mit hohem Säure- oder Alkaligehalt sollten jedoch von einem erfahrenen Metallurgen überprüft werden, um die Eignung des Materials zu bestätigen. Bei Anwendungen wie der Abgaskühlung ist es wichtig, auf Kondensation an der Rohrwand und die Zusammensetzung des Gases (oder Brennstoffs) zu achten, um zu prüfen, ob sich beim Abkühlen des Gases Säuren bilden. Wenn die Kondensation bestätigt wird und das Gas oder der Brennstoff Schwefelverbindungen enthält, sollten Sie erneut die Hilfe eines Metallurgieexperten in Anspruch nehmen, um sich über geeignete Materialien beraten zu lassen.

Der Zweck von Faltenbälgen

Die meisten Standard-Wärmetauscher der HRS-Serie werden als Festrohreinheiten hergestellt und sind in der Regel mit einem dünnwandigen, mehrfach gefalteten Dehnungskompensator (oder Faltenbalg) ausgestattet, um die unterschiedliche Ausdehnung zwischen dem Mantelrohr und den Rohren zu berücksichtigen. Es ist äußerst wichtig, dass die Balgeinheit korrekt konstruiert ist. HRS Heat Exchangers folgt den Empfehlungen der Expansion Joint Manufacturers Association (TEMA) of America.

Das bedeutet, dass die ungünstigsten Druck-, Temperatur- und Differenzausdehnungsbedingungen (die ein CIP- oder ein anderer Nichtbetriebszustand sein können) für die Auslegungsberechnungen ermittelt werden. TEMA betont, dass Wärmetauscher nicht als Verankerungspunkte für Rohrleitungen gedacht sind. Wenn der Konstrukteur der Rohrleitungen die unter allen Betriebsbedingungen auftretenden Ausdehnungen und Kontraktionen nicht berücksichtigt und zulässt, dass sie externe Lasten auf die Wärmetauscheranschlüsse ausüben, können sowohl Faltenbälge als auch Düsenrohre beschädigt werden.

Verbindungen

Anschlüsse sind ein wichtiger Bestandteil eines jeden Wärmetauschers, da sie die Schnittstelle zwischen dem Gerät und den Rohrleitungen des Systems bilden. Für den sicheren und bequemen Betrieb des Geräts ist es wichtig, dass der Anschlusstyp sorgfältig ausgewählt wird, um die Sicherheitsanforderungen für den Auslegungsdruck und die Temperatur sowie die Anforderungen des Kunden an Komfort und Eignung für den Prozess zu erfüllen. Wenn ein Wärmetauscher regelmäßig zur Reinigung ausgebaut werden soll, sind Schnellverschlussklemmen möglicherweise die bessere Wahl als Schraubflansche.

Sowohl Flansche als auch die verschiedenen Arten von Schnellverschlussklemmen, die von den Lieferanten angeboten werden, sind in Bezug auf Arbeitsdruck und Temperatur begrenzt. Unabhängig davon, welche Art von Verbindung vom Endverbraucher spezifiziert (oder vom Konstrukteur angeboten) wird, ist es wichtig, dass die Temperatur- und Druckwerte der Verbindung überprüft werden, um ihre Eignung zu bestätigen. Die Prozesskompatibilität der für die Verbindung verwendeten Dichtung oder des Dichtungsmaterials muss immer geprüft werden. Es gibt eine Reihe von Materialien für die meisten Verbindungstypen, und das gewählte Material muss für die Arbeitsflüssigkeiten geeignet sein.

Auch die Größe des Anschlusses ist wichtig. Diese wird oft vom Installateur vorgegeben, aber der Konstrukteur des Wärmetauschers muss sich der Auswirkungen der gewählten Größen bewusst sein. Mechanische Überlegungen wirken sich auch auf die Wahl der Düse aus. Je größer das Loch im Mantel ist, desto schwächer wird der Mantel. Gemäß den Vorschriften für Druckbehälter muss die schwächende Wirkung überprüft und gegebenenfalls eine Verstärkung im Bereich des Stutzens angebracht werden.

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