Wie man einen Röhrenwärmetauscher konstruiert

Wie man einen Röhrenwärmetauscher konstruiert

Bei HRS Heat Exchangers entwerfen wir jeden Tag Röhrenwärmetauscher. Dieser Abschnitt gibt Ihnen einen Überblick über den Prozess.

Schritt 1: Analysieren der Anwendung

Wenn wir eine Anfrage für einen Wärmetauscher erhalten, ist der erste Schritt die Analyse der Anwendung. Handelt es sich um eine Anwendung in der Lebensmittelindustrie? Handelt es sich um eine industrielle Anwendung? Der Konstrukteur muss die Art des Wärmetauschers, die erforderlich ist und den Anforderungen der Anwendung entspricht, korrekt definieren.

Die Auslegungstemperatur, der Druck und der maximal zulässige Druckabfall müssen für das Produkt und die Betriebsflüssigkeiten festgelegt werden.

Schritt 2: Identifizierung der Flüssigkeitseigenschaften

Der nächste Schritt besteht darin, die beteiligten Flüssigkeiten oder Gase zu analysieren: die Flüssigkeit auf der Produktseite und die Flüssigkeit auf der Serviceseite. Vier wichtige physikalische Eigenschaften der beteiligten Flüssigkeiten müssen bekannt sein:

• Dichte
• Spezifische Wärme
• Wärmeleitfähigkeit
• Viskosität

Die richtige Vorgehensweise besteht darin, die Werte für diese vier Parameter für verschiedene Temperaturen in der Heiz- oder Kühlkurve der Anwendung zu ermitteln. Je besser wir die physikalischen Eigenschaften der beteiligten Flüssigkeiten verstehen, desto genauer wird die Auslegung des Wärmetauschers sein.

Schritt 3: Die Energiebilanz

Sobald wir die physikalischen Eigenschaften korrekt definiert haben, ist es an der Zeit, die Energiebilanz zu überprüfen. Normalerweise definiert der Kunde die Durchflussrate des Produkts und die gewünschte Eintritts- und Austrittstemperatur. Er gibt die Art der zu verwendenden Serviceflüssigkeit an und legt zwei der folgenden drei Parameter fest: Service-Durchflussrate, Service-Eintrittstemperatur oder Service-Austrittstemperatur. Wenn zwei dieser Parameter bekannt sind, wird der dritte Parameter berechnet.

Schritt 4: Definieren der Geometrie der Wärmetauscher

In diesem Schritt definiert der Konstrukteur die Geometrie des Wärmetauschers. Er wählt den Manteldurchmesser und definiert das Rohrbündel, das im Inneren des Wärmetauschers platziert wird: Anzahl der Innenrohre, Durchmesser und Wandstärke der Innenrohre und die Länge der Innenrohre. Zweitens werden die Abmessungen der mantel- und rohrseitigen Flüssigkeitsanschlüsse festgelegt. In diesem Stadium muss auch die Wahl der verwendeten Materialien getroffen werden. Standardmäßig verwendet HRS Heat Exchanger rostfreie Stähle für Mantel und Rohre, aber auch andere Legierungen können verwendet werden.

Schritt 5: Thermische Berechnungen

In diesem Stadium führt der Konstrukteur eine thermische Berechnung durch. Das Ziel ist es, die Wärmeübergangskoeffizienten auf der Mantel- und Rohrseite zu ermitteln. Diese Koeffizienten hängen von den vier wichtigsten Flüssigkeitsparametern und der Geschwindigkeit der Flüssigkeit ab. Die Beziehung zwischen den Parametern und den Wärmeübergangskoeffizienten wird in einer mathematischen Formel definiert, die spezifisch für die Geometrie ist (d.h. für die Art des verwendeten Wärmetauschers: Rohr, Platte, Wellrohr). HRS Heat Exchangers hat seine eigenen spezifischen Formeln für die Verwendung von Wellrohren.

Wenn die mantel- und rohrseitigen Koeffizienten bekannt sind, kann der Gesamtwärmeübergangskoeffizient berechnet werden. Wenn Sie diesen Wert kennen, können Sie die gesamte Wärmeübertragungsfläche berechnen, die Sie für Ihre Anwendung benötigen:

Bereich=Dienst/[K×LMTD]

Wo:

• Fläche: Erforderliche Gesamtwärmeübertragungsfläche, m².
• Leistung: Übertragene Gesamtwärme, kcal/hr (aus der Energiebilanz abgeleitet).
• K: Gesamtwärmeübergangskoeffizient, kcal/[hr .m².°C].
• LMTD: Logarithmische mittlere Temperaturdifferenz, °C (die durchschnittliche logarithmische Temperaturdifferenz zwischen mantel- und rohrseitiger Flüssigkeit über die Wärmetauscherlänge).

Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Druckabfall, der für die mantel- und rohrseitigen Fluide berechnet wird. Der Druckabfall ist eine Funktion der Reynolds-Zahl, der Art der Strömung (turbulente oder laminare Strömung) und des Rauheitswertes des Mantels und der Innenrohre.

Schritt 6: Interpretation der thermischen Berechnung

Die berechnete Fläche wird mit der in Schritt vier festgelegten Fläche verglichen und es wird geprüft, ob die Druckverluste innerhalb der Auslegungsgrenzen liegen. Wenn die berechnete Fläche die vorgegebene Fläche überschreitet, muss die Geometrie des Wärmetauschers überarbeitet werden, möglicherweise durch Vergrößerung der Länge oder Hinzufügen von Innenrohren.

Übersteigt der berechnete Druckabfall das festgelegte Maximum, muss eine neue Geometrie entworfen werden, um den Druckabfall zu verringern. Die Schritte vier bis sechs werden dann so lange wiederholt, bis ein zufriedenstellender Entwurf mit einer geeigneten Geometrie erreicht ist.

Schritt 7: Mechanische Konstruktionsberechnungen

Nachdem die Geometrie des Wärmetauschers festgelegt wurde, müssen die mechanischen Konstruktionsberechnungen durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Konstruktion des Wärmetauschers für den Auslegungsdruck und die Auslegungsbedingungen gültig ist. Die typischen Berechnungen sind:

• Berechnung der Wandstärke der Schale.
• Berechnung der Wandstärke der Düse.
• Berechnung der Wandstärke des Innenrohrs.
• Berechnung der Abmessungen des Kompensators (zum Ausgleich der unterschiedlichen Ausdehnung von Mantel und Rohr aufgrund von Temperaturunterschieden).
• Berechnung der Dicke des Rohrbodens.

Die Berechnungen der mechanischen Konstruktion können zu Wandstärken oder anderen Parametern führen, die nicht mit der in Schritt 4 festgelegten geometrischen Konstruktion übereinstimmen. In diesem Fall muss ein neuer Vorschlag für die Geometrie gemacht und die Schritte 4 bis 7 wiederholt werden.

Schritt 8: Vorbereitung der Fertigungszeichnungen

Wenn alle Abmessungen des Wärmetauschers definiert sind, können die Fertigungszeichnungen erstellt werden. Das Zeichnungspaket enthält Details zu den verschiedenen Komponenten des Wärmetauschers, einschließlich Mantel, Rohre, Kompensatoren, Anschlüsse usw.

 

 

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