Strömungsfehlverteilung im Wärmeübertrager

Die Auslegung sagte das eine, der Versuch das andere

Die thermische Auslegung ergab 2,4 MW. Der Abnahmeversuch zeigt 2,1. Die Fläche stimmt, die Medien stimmen, der Fouling-Zuschlag war großzügig. Jemand vermutet, die Korrelation sei optimistisch gewesen, und jemand anderes bestellt für das nächste Projekt stillschweigend einen größeren Apparat.

Bevor Sie der Korrelation die Schuld geben, sehen Sie sich an, wie die Strömung in die Rohre gelangt. Auslegungsverfahren nehmen an, dass jedes Rohr denselben Durchsatz führt, und reale Verteilerkammern leisten das nicht. Strömungsfehlverteilung im Wärmeübertrager bedeutet, dass manche Rohre oder Kanäle mehr Durchsatz führen als andere, und sie ist ein häufiger Grund, warum ein richtig dimensionierter Apparat zu wenig leistet.

Warum kostet ungleichmäßige Strömung Leistung?

Nehmen Sie zwei benachbarte Rohre. Das eine erhält 130 % des mittleren Durchsatzes, das andere 70 %. Das schnelle Rohr überträgt mehr Wärme als der Durchschnitt, aber weniger als 30 % mehr, weil sein Fluid weniger Zeit hat, sich der Wandtemperatur anzunähern. Das langsame Rohr überträgt weniger, und ein großer Teil seiner Länge leistet kaum etwas. Zusammen liefert das Paar weniger als zwei durchschnittliche Rohre.

Die Verluste enden nicht bei der Leistung. Ein Übersichtsbeitrag von Tube Tech International und der TU Dresden aus dem Jahr 2019 stellt fest, dass die Rohre am unteren Ende der Geschwindigkeitsverteilung besonders zu Fouling neigen und dass einige verstopfen und einen ungeplanten Stillstand erzwingen können. Verschmutzte Rohre erhalten danach noch weniger Durchsatz.

Woher kommt sie auf der Rohrseite?

Eine Verteilerkammer ist ein kleines Plenum, das über einen Stutzen gespeist wird, und das Fluid tritt als Strahl ein. Derselbe Beitrag berichtet, dass der Durchsatz in den Rohren nahe oder in der Achse der Zuleitung größer ist und dass ein seitlicher Anschluss der Zuleitung, eine verbreitete Anordnung, die Unterschiede zwischen den Rohren vergrößert.

Wie schlimm es wird, hängt von einem Tauziehen zweier Drücke ab: dem Staudruck des Eintrittsstrahls, der die Strömung ungleich verteilt, und dem Druckverlust in den Rohren, der dem entgegenwirkt. Ein Bündel mit hohem Widerstand gleicht die Strömung aus, weil jedes Rohr fast den gesamten verfügbaren Druck braucht, um überhaupt etwas durchzulassen.

Die Ein-Minuten-Prüfung

Vergleichen Sie den Staudruck im Stutzen mit dem Druckverlust der Rohre. Als Beispiel tritt Wasser mit 3 m/s durch einen Stutzen in die Kammer ein.

Beträgt der Druckverlust in den Rohren 6 kPa, sind beide gleich groß. Der Strahl hat genug Impuls, um die Strömung umzuordnen, und Sie sollten mit deutlicher Fehlverteilung rechnen. Beträgt der Rohrdruckverlust 40 kPa, macht der Strahl etwa ein Zehntel davon aus, und die Kammer spielt eine viel geringere Rolle.

Betrachten Sie das als Vorprüfung. Sie sagt Ihnen, ob Anlass zur Sorge besteht, und sagt die Verteilung selbst nicht vorher. Konstruktionen mit geringem Druckverlust, gasseitige Kammern, große Bündel mit kleinen Stutzen und kurze Kammern mit abrupten Querschnittsänderungen sind die üblichen Verdächtigen.

Woher kommt sie auf der Mantelseite?

Der Konstrukteur will, dass das gesamte Fluid das Rohrbündel quert. Ein Teil leckt durch den Spalt zwischen Rohren und Umlenkblechbohrungen. Ein Teil schlüpft zwischen Blechkante und Mantel hindurch. Ein Teil strömt außen am Bündel vorbei, fast ohne Fläche zu berühren. Auslegungsverfahren berücksichtigen diese Teilströme mit Korrekturfaktoren, und diese Faktoren sind Mittelwerte.

Hinzu kommen die Totzonen: die Ecken hinter jedem Umlenkblech, in denen das Fluid langsam rezirkuliert und wenig Wärme überträgt.

Was zeigt eine CFD-Studie, das eine Auslegung nicht zeigt?

Ein Auslegungsprogramm liefert eine Zahl für den ganzen Apparat. Eine Simulation liefert die Strömung in jedem Rohr und in jedem Feld zwischen den Umlenkblechen. Auf der Rohrseite ergibt ein Modell der Kammer mit angeschlossenen Rohren eine Verteilung Rohr für Rohr: welche Reihen unterversorgt sind, um wie viel, und wie sich das mit einer Konstruktionsänderung ändert. Auf der Mantelseite zeigt sie, wie viel Fluid das Bündel quert, wie viel es umgeht und wo die Rezirkulationszonen liegen.

Niemand vernetzt zehntausend Rohre mit aufgelösten Grenzschichten. Üblich sind eine vollständige Kammer, in der jedes Rohr durch seinen Druckverlust dargestellt wird, oder ein detaillierter Abschnitt über einige Umlenkblechabstände. Beides sind Vereinfachungen, und der Bericht sollte sagen, was sie ausblenden. Fouling, verschlossene Rohre und die tatsächlichen Spalte an den Umlenkblechen bleiben Annahmen, sofern Sie keine Daten liefern.

Was meist hilft

• Ein Lochblech als Verteilerplatte in der Kammer, das genau dort etwas Druckverlust hinzufügt, wo Widerstand erwünscht ist.
• Eine Prallplatte oder ein Prallblech, um den Strahl aufzubrechen.
• Eine größere oder längere Kammer oder ein konischer Eintritt, damit sich der Strahl ausbreiten kann.
• Eine andere Stutzenposition oder zwei kleinere Stutzen.
• Dichtstreifen auf der Mantelseite, die den Bypass um das Bündel versperren.

Mit einer Simulation lassen sich diese Maßnahmen vergleichen, bevor etwas gefertigt wird. Eine Verteilerplatte, die die Verteilung bei Auslegungsdurchsatz behebt, bewirkt bei halber Last womöglich wenig, und das erfährt man lieber am Bildschirm.

Wann lohnt sich eine Studie?

Zeigt die Ein-Minuten-Prüfung, dass der Eintrittsstaudruck nur ein kleiner Bruchteil des Bündeldruckverlusts ist, und handelt es sich um eine Standardkonstruktion, dann vermutlich nicht. Sind beide vergleichbar, ist der Apparat groß oder teuer, hat er seine Leistung bereits verfehlt oder ist die Geometrie ungewöhnlich, dann kostet es weit weniger als ein zweiter Apparat herauszufinden, wohin die Strömung geht.