Die Geschwindigkeitsbedrohung
Dampf, der mit 25-35 m/s in ein PTFE-Wärmetauscherrohr eintritt, trägt mitgerissene Kondensattröpfchen mit sich. Diese Tröpfchen, die sich mit nahezu Dampfgeschwindigkeit fortbewegen, treffen an Biegungen, Kopfübergängen und Bereichen mit Strömungsstörungen auf die Rohrwand. Jeder Aufprall gibt einen mikroskopisch kleinen mechanischen Impuls an die PTFE-Oberfläche ab.
Bei niedrigen Geschwindigkeiten wird die Aufprallenergie vom viskoelastischen Polymer elastisch absorbiert. Die Oberfläche prallt ohne Schaden zurück. Bei höheren Geschwindigkeiten führt die kumulative Wirkung von Millionen von Tröpfchenaufprallen zu einer Aufrauung der Oberfläche, Materialverlust und schließlich zu einer Wandverdünnung. Dabei handelt es sich um Erosion-rein mechanischen Verschleiß ohne chemische Komponente.
Die maximal zulässige Dampfgeschwindigkeit ist der Schwellenwert, unterhalb dessen die Erosion über die Auslegungslebensdauer hinweg vernachlässigbar ist. Oberhalb dieses Schwellenwerts akkumuliert sich die Erosion zu einem messbaren Wandverlust innerhalb der Lebensdauer der Anlage.
Der Tröpfchenaufprallmechanismus
Es bildet sich kontinuierlich Kondensat, da Dampf seine latente Wärme abgibt. Ein Teil des Kondensats läuft als Film an der Rohrwand entlang. Ein Teil wird als Tröpfchen im Hochgeschwindigkeitsdampfkern mitgerissen. An Biegungen und Hindernissen werden Tröpfchen durch die Zentrifugalkraft nach außen geschleudert und treffen auf die Rohrwand.
Der Aufpralldruck eines Wassertropfens auf einer festen Oberfläche ist proportional zum Wasserschlagdruck: P=ρ × c × V, wobei ρ die Wasserdichte, c die Schallgeschwindigkeit in Wasser (ca. 1.500 m/s) und V die Aufprallgeschwindigkeit des Tropfens ist. Bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 30 m/s übersteigt der momentane Druck am Aufprallpunkt 45 MPa-ausreichend, um PTFE lokal zu verformen.
Ein einzelner Aufprall verursacht keinen messbaren Schaden. Aber ein Dampfsystem, das 6.000 Stunden pro Jahr in Betrieb ist, sorgt im Laufe eines Jahrzehnts für Hunderte Millionen Tröpfcheneinschläge auf die Rohrwand. Die kumulative Ermüdung durch wiederholte Mikroverformung führt schließlich zu Oberflächenrissen, Partikelablösung und messbarer Wandverdünnung.
Tabelle 1: Dampfgeschwindigkeitsgrenzen für PTFE-Wärmetauscherrohre
| Dampfdruck (barg) | Rohr-ID (mm) | Empfohlene maximale Dampfgeschwindigkeit (m/s) | Absolute Höchstgeschwindigkeit (m/s) | Erosionsrisiko über dem absoluten Höchstwert |
|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 6 | 20-25 | 30 | Mäßig (Aufrauung innerhalb von 5 Jahren) |
| 3.0 | 6 | 18-22 | 28 | Mäßig |
| 4.0 | 8 | 20-25 | 32 | Mäßig |
| 2.0 | 8 | 22-28 | 35 | Niedrig-Mittel (größerer Durchmesser verringert die Tröpfchenkonzentration) |
| 3.0 | 8 | 20-25 | 30 | Mäßig |
| 4.0 | 10 | 25-30 | 38 | Niedrig (größerer Durchmesser; geringere Dampfdichte bei höherem Druck) |
Geschwindigkeitsgrenzen basierend auf PTFE-Erosionswiderstandsdaten und konservativer Extrapolation aus langjähriger Serviceerfahrung. Das absolute Maximum stellt die Geschwindigkeit dar, oberhalb derer messbare Erosion innerhalb von 10 Jahren Dauerbetrieb zu erwarten ist.
Die Trockenheitsfraktionsverbindung
Die Grenzwerte für die Dampfgeschwindigkeit gehen von einem Trockenheitsanteil von 98 % oder mehr aus, -was 2 % oder weniger mitgerissenes Wasser nach Masse bedeutet. Bei niedrigeren Trockenheitsanteilen ist der mitgerissene Wassergehalt höher und das Erosionsrisiko bei einer bestimmten Geschwindigkeit steigt proportional.
Wenn die Dampfqualität der Anlage unter 98 % Trockenheit liegt, sollte die maximal zulässige Geschwindigkeit um 10–15 % reduziert werden, um der erhöhten Tröpfchenbeladung Rechnung zu tragen. Alternativ entfernt ein vor dem Wärmetauscher installierter Dampfabscheider überschüssiges mitgerissenes Wasser und stellt die Auslegungsgeschwindigkeitsmarge wieder her.
Berechnung der Entwurfsgeschwindigkeit
Die Dampfgeschwindigkeit in jedem Rohr wird berechnet, indem der volumetrische Dampfstrom pro Rohr durch die Rohrquerschnittsfläche dividiert wird. Der gesamte Dampfmassenstrom wird aus der Wärmeleistung ermittelt: Massenstrom=Wärmeleistung / latente Wärme des Dampfes.
Bei einem 50-kW-PTFE-Wärmetauscher mit 40 Rohren mit 8 mm Innendurchmesser, der mit 3 barg Dampf betrieben wird, beträgt der Massenstrom pro Rohr etwa 0,75 kg/h. Das spezifische Volumen an Sattdampf beträgt bei 3 barg 0,46 m³/kg. Der Volumenstrom pro Rohr beträgt 0,35 m³/h. Die Rohrquerschnittsfläche beträgt 5,0 × 10⁻⁵ m². Die Dampfgeschwindigkeit liegt mit 1,9 m/s-also innerhalb sicherer Grenzen.
Die Geschwindigkeitsberechnung sollte während der Entwurfsphase durchgeführt und überprüft werden, dass sie unter dem empfohlenen Maximum liegt. Bei den meisten PTFE-Wärmetauschern mit ausreichender Rohranzahl sind die Dampfgeschwindigkeiten aufgrund der mehreren parallelen Strömungswege naturgemäß niedrig. Bei kleinen Wärmetauschern mit wenigen Rohren oder in Systemen, in denen der Dampfversorgungsdruck deutlich über dem Auslegungsdruck liegt, ist eine hohe Geschwindigkeit häufiger ein Problem.
Zusammenfassung
Die maximal zulässige Dampfgeschwindigkeit in PTFE-Wärmetauscherrohren beträgt je nach Rohrdurchmesser und Dampfdruck 20–30 m/s, wobei 35–38 m/s das absolute Maximum darstellen, ab dem messbare Erosion zu erwarten ist. Diese Grenzwerte gehen von einem Dampftrockenheitsanteil von 98 % oder mehr aus. Niedrigere Trockenheitsanteile erfordern eine Geschwindigkeitsreduzierung.
Bei den meisten ordnungsgemäß konstruierten Mehrrohr-PTFE-Wärmetauschern liegen die Dampfgeschwindigkeiten aufgrund der großen Anzahl paralleler Strömungswege naturgemäß unter diesen Grenzwerten. Durch die Überprüfung der Geschwindigkeit während der Konstruktion wird sichergestellt, dass Erosion die Lebensdauer der Ausrüstung nicht einschränkt.
Eine technische Analyse zur Überprüfung der Dampfgeschwindigkeit in bestimmten PTFE-Wärmetauscherkonstruktionen ist nach Vorlage von Daten zu Wärmeleistung, Dampfdruck, Rohranzahl und -abmessungen sowie Dampfqualität verfügbar.
