Inhaltszusammenfassung

Für die stoffdicht getrennte Wärmeauskopplung aus Abgasen von Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen werden häufig Rohrbündelwärmeübertrager eingesetzt, da sie aufgrund ihrer Bauweise alle Anforderungen an die wärmeauskoppelnde Komponente erfüllen: kostengünstige Bauweise, verschmutzungsunanfällige Oberflächen auf der Abgasseite, einfache Zugänglichkeit der abgasseitigen Übertragerflächen zu dem Zweck der wiederkehrenden Reinigung. In der Regel werden Rohrbündelwärmeübertrager als Druckgeräte eingestu...Für die stoffdicht getrennte Wärmeauskopplung aus Abgasen von Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen werden häufig Rohrbündelwärmeübertrager eingesetzt, da sie aufgrund ihrer Bauweise alle Anforderungen an die wärmeauskoppelnde Komponente erfüllen: kostengünstige Bauweise, verschmutzungsunanfällige Oberflächen auf der Abgasseite, einfache Zugänglichkeit der abgasseitigen Übertragerflächen zu dem Zweck der wiederkehrenden Reinigung. In der Regel werden Rohrbündelwärmeübertrager als Druckgeräte eingestuft, da sich der Druck einer der beiden Fluidseiten deutlich vom Atmosphärendruck unterscheidet. Wegen dieser Einordnung als Druckgeräte sind zur Auslegung dieser Apparate gemäß des deutschen Regelswerks die Richtlinien "Technische Regeln für Dampfkessel (TRD)" und "AD-Merkblätter" anzuwenden. Aufgrund ihrer konstruktiven Ausführung in einem mehrfach statisch überbestimmten Gesamtsystem werden einzügige voll verschweißte Rohrbündelwärmeübertrager durch das aufgeprägte Temperaturfeld wesentlich höher beansprucht, als durch eine Druckbelastung des wasserbeaufschlagten Mantelraums in üblichen Größenordnungen bis 16 bar, die demzufolge für die Vorausberechnung der Lebensdauer vernachlässigt werden kann. Betrachtet man die Auslegungsregelwerke "TRD" und "AD-Merkblätter", so ist festzustellen, dass die thermischen Beanspruchungen trotz ihrer Dominanz und ihres signifikanten Einflusses auf die Lebensdauer nicht berücksichtigt werden. Diese Schwachstelle wurde bereits seit 1977 des öfteren in Veröffentlichungen thematisiert. In dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, Rohrbündelwärmeübertrager ausgehend von den Einsatzbedingungen, die wesentlich durch die Fluidmassenströme und Fluideintrittstemperaturen beschrieben werden, hinsichtlich der für sie zu erwartenden Lebensdauer zu beurteilen. Es werden mit Hilfe von 3D-Strömungssimulationsprogrammen stationäre Analysen vorgestellt, die unter paralleler Berechnung der örtlichen Temperaturen beider Fluidseiten und der stoffdichten Wand dreidimensionale Temperaturverteilungen liefern, welche auf ein entsprechendes strukturmechanisches Berechnungsmodell übertragen werden können. Stationäre Spannungsanalysen zeigen ein vom Steifigkeitsverhältnis zwischen Rohrplatte und Mantel abhängiges Verformungsverhalten mit einer Biegebeanspruchung der Rohrplatte. Eine Erhöhung der Rohrplattenwanddicke führt zu einer Steigerung der mittleren Rohrplattentemperatur und gegebenenfalls auch zu einem ungünstigen Steifigkeitsverhältnis von Mantel und Rohrplatte, was die örtlich Spannungen erhöht bzw. die Lebensdauer verringert. Experimentelle Untersuchungen stützen die Zulässigkeit dieser Ergebnisse, indem mit Hilfe von Temperaturmessungen die Strömungsberechnungen verifiziert wurden. Die korrekt berechnete Lage eines Hot-Spot wurde im Versuch bestätigt. Berechnete und verifizierte Temperaturfelder aufeinanderfolgender Zeitpunkte werden auf die strukturmechanischen Modelle übertragen und führten zur Ermittlung von Spannungsfeldern zu verschiedenen Zeitpunkten. Die Gegenüberstellung der maximalen Vergleichsspannung aller Zeitpunkte zeigt an der Stelle des globalen Maximalwertes den für die Komponente kritischen Ort. Für diesen Ort wird aus dem zeitlichen Spannungsverlauf eine Spannungsschwingbreite ermittelt, die unter Anwendung des AD-Merkblattes S2 eine zulässige Zyklenzahl liefert, womit dann die Lebensdauer vorausgesagt werden kann. Um den Analyseprozess, ohne wesentliche Einschränkungen in der Genauigkeit, deutlich zu vereinfachen und zu beschleunigen, wurde ein neues Verfahren entwickelt, mit welchem die Beanspruchungsanalyse am Rohrboden eines Rohrbündelwärmeübertragers analytisch durchgeführt werden kann. Hierbei können die wesentlichen Effekte wie Rohrdehnung, inhomogene Temperaturverteilung und unsymmetrische Einströmung berücksichtigt werden. Das Verfahren beruht auf der Grundlage der Stufenkörpermethode, zur Modellbildung werden rotationssymmetrische Systeme verwendet. Analytische Gleichungen liefern bei Eingabe von Geometrie- und Betriebsparametern die Spannungsschwingbreiten, die zu einer Lebensdauervoraussage verwendet werden können. Im Vergleich der analytischen Ergebnisse mit hochaufgelösten Resultaten von 3D-Berechnungsmodellen könnte gezeigt werden, dass sich mit Hilfe der entwickelten Methode die Beanspruchung realitätsnah vorhersagen lässt.» weiterlesen» einklappen

Autoren

Klassifikation

DFG Fachgebiet:
Strömungsmechanik, Technische Thermodynamik und Thermische Energietechnik

DDC Sachgruppe:
Ingenieurwissenschaften