Das Verteilungsproblem
Ein PTFE-Wärmetauscher mit 60 Rohren, die an einen einzigen Dampfverteiler angeschlossen sind, sollte theoretisch den gleichen Dampfstrom zu jedem Rohr erhalten. In der Praxis erhalten die Rohre, die dem Sammlereinlass am nächsten sind, mehr Dampf als die am anderen Ende. Durch das Ungleichgewicht entstehen heiße und kalte Zonen im Rohrbündel. Kalte Rohre kondensieren Dampf unvollständig und können mit Kondensat überflutet werden. Heiße Rohre arbeiten bei zu hohen Wandtemperaturen.
Die Gleichmäßigkeit der Dampfverteilung hängt vom Druckprofil im Sammler ab. Wenn Dampf entlang des Sammelrohrs strömt, führen Reibungs- und Impulsänderungen dazu, dass der statische Druck variiert. Rohre an verschiedenen Standorten unterliegen unterschiedlichen Antriebsdrücken. Die Größe dieser Druckschwankung bestimmt das Strömungsungleichgewicht.
Die Anzahl der Röhren pro Sammelrohr ist eine primäre Designvariable, die die Gleichmäßigkeit der Verteilung steuert. Weniger Rohre pro Sammelrohr verringern die Länge des Sammelrohrs und die Druckschwankung entlang der Sammelleitung. Mehr Rohre pro Sammelrohr erhöhen den Gesamtdurchfluss, wodurch die Druckschwankung und die Gefahr einer Fehlverteilung zunimmt. Die optimale Röhrenanzahl gleicht die Verteilungsqualität mit den Kosten und der Komplexität mehrerer Verteiler aus.
Das Header-Druckprofil
In ein Sammelrohr eintretender Dampf erfährt zwei konkurrierende Druckeffekte. Durch die Reibung zwischen dem Dampf und der Kopfwand nimmt der Druck entlang der Strömungsrichtung ab. Dies verringert tendenziell den Durchfluss zu den nachgeschalteten Rohren. Gleichzeitig nimmt die Geschwindigkeit im Sammelrohr ab, wenn der Dampf in die Rohre abzweigt. Die kinetische Energie der abbremsenden Strömung wandelt sich in statischen Druck um, ein Phänomen, das als Druckwiederherstellung bezeichnet wird. Dadurch erhöht sich tendenziell der Durchfluss zu den nachgeschalteten Rohren.
Bei Dampfverteilern mit niedriger Einlassgeschwindigkeit und vielen Abzweigrohren dominiert die Reibung und die nachgeschalteten Rohre werden ausgehungert. Bei Sammlern mit hoher Einlassgeschwindigkeit und wenigen Abzweigungen kann die Druckrückgewinnung zu einer Überkompensation führen und die nachgeschalteten Rohre erhalten einen überschüssigen Durchfluss.
Das optimale Design gleicht diese Effekte aus, um an allen Rohreinlässen einen nahezu gleichmäßigen Druck zu erreichen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Durchmesser des Sammelrohrs und die Anzahl der Rohre so gewählt werden, dass die Druckschwankung an allen Verzweigungspunkten weniger als 5 % der gesamten Antriebsdruckdifferenz beträgt.
Tabelle 1: Empfohlene Rohranzahl pro Kopf nach Dampfdruck und Rohrdurchmesser
| Dampfdruck (barg) | Rohr-Außendurchmesser (mm) | Empfohlene Röhren pro Header | Maximale Anzahl an Röhren pro Header | Kopfdurchmesser (mm) | Erwartete Durchflussvariation |
|---|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 8 | 20-25 | 30 | 40 | <5% |
| 3.0 | 8 | 25-30 | 35 | 50 | <5% |
| 4.0 | 10 | 15-20 | 25 | 50 | <5% |
| 3.0 | 10 | 20-25 | 30 | 50 | <5% |
| 4.0 | 12 | 12-18 | 22 | 65 | <5% |
| 6.0 | 12 | 10-15 | 18 | 65 | <5% |
Die Werte basieren auf einer einheitlichen Rohrlänge von 1,5 Metern, einer horizontalen Ausrichtung des Sammelrohrs und einer Zieldurchflussschwankung von unter 5 %. Längere Röhrchen erhöhen den individuellen Röhrchenwiderstand, verbessern die Verteilung und ermöglichen eine etwas höhere Röhrchenanzahl.
Die Anforderung an den Kondensatausgleich
Die Dampfverteilung ist nur das halbe Problem. Ebenso gleichmäßig muss die Kondensatableitung erfolgen. Wenn der Kondensatsammler an den Rohrauslässen ein anderes Druckprofil aufweist als der Dampfsammler, variiert der Nettoantriebsdruck in jedem Rohr, selbst wenn die Dampfversorgungsdrücke gleich sind.
Der Kondensatverteiler arbeitet typischerweise mit Zwei-Phasenströmung-Kondensat und Entspannungsdampf. Seine Druckverteilung ist komplexer als die des einphasigen Dampfsammlers. Der Ausgleich des Kondensatwegs wird dadurch erreicht, dass der Kondensatsammler nach unten zum Kondensatableiter hin geneigt ist. Dadurch wird sichergestellt, dass kein Rohrauslass in angesammeltes Kondensat eingetaucht wird, und die Anzahl der Rohre pro Kondensatsammler wird auf die gleiche oder weniger als auf der Dampfseite begrenzt.
Praktische Header-Konfigurationen
Für einen 60-kW-PTFE-Wärmetauscher, der 60 Rohre mit 10 mm Außendurchmesser benötigt, verwendet die empfohlene Konfiguration drei Dampfverteiler, die jeweils 20 Rohre versorgen. Diese Anordnung begrenzt die Durchflussschwankung über alle Rohre hinweg auf 3–5 %. Jeder Verteiler ist mit einem separaten Kondensatverteiler mit gleicher Rohranzahl verbunden.
Einzel-Header-Designs für 60 Rohre sind mit übergroßen Header-Durchmessern technisch machbar, führen jedoch zu einer Durchflussschwankung von 15-25 %, wodurch die Gefahr einer Kondensatüberschwemmung in den am stärksten ausgehungerten Rohren besteht. Die Kosteneinsparungen durch die Reduzierung der Header-Anzahl werden durch die Leistungseinbußen aufgrund einer Fehlverteilung aufgewogen.
Bei sehr großen Wärmetauschern mit mehr als 200 Rohren verteilt ein Verteilersystem den Dampf auf mehrere Unterköpfe. Der Verteiler verwaltet den großen Dampfstrom und jeder Unterkopf versorgt eine überschaubare Anzahl von Rohren. Dieser hierarchische Ansatz gewährleistet die Verteilungsqualität auf jeder Ebene.
Zusammenfassung
Die Anzahl der Rohre pro Kopf steuert direkt die Gleichmäßigkeit der Dampfverteilung in PTFE-Wärmetauschern mit mehreren Durchgängen. Der empfohlene Bereich von 10 bis 30 Rohren pro Sammelrohr, je nach Dampfdruck und Rohrdurchmesser, begrenzt die Durchflussschwankung auf unter 5 % und verhindert eine Kondensatüberflutung in unterversorgten Rohren. Mehrere kleinere Header übertreffen einen einzelnen übergroßen Header in Bezug auf Verteilungsqualität und thermische Leistung.
Durch die richtige Dimensionierung des Sammelrohrs in Kombination mit einer sorgfältigen Konstruktion des Kondensatsammelrohrs wird sichergestellt, dass jedes Rohr im PTFE-Bündel vollständig zur gesamten Wärmeübertragungsleistung beiträgt. Die geringfügigen Mehrkosten mehrerer Verteiler werden durch die Eliminierung von Kaltstellen und überfluteten Rohren ausgeglichen.
Technische Empfehlungen für die Kopfstückkonstruktion von PTFE-Wärmetauschern sind nach Vorlage der erforderlichen Wärmeleistung, des Dampfdrucks, der Rohrspezifikationen und der physikalischen Einschränkungen bei der Kopfstückplatzierung verfügbar.
