Planung eines Wärmeübertragers: Ganzheitliche Aufgabenlösung bis zur Instandsetzung eines Rohrbündel-Wärmeübertragers

Die Weltbevölkerung wächst nicht nur stetig an. Auch der Konsum pro Kopf wird immer größer. Der explodierende Bedarf an Wertstoffen erfordert kostengÃ1⁄4nstige und effiziente Technologien, die hohe AnsprÃ1⁄4che an die Ausbildung von Aufbereitungsspezialisten stellen. Neben die klassische Aufbereitung von Primärrohstoffen tritt zunehmend die Extraktion von Wertstoffen aus Sekundärrohstoffen, das Urban Mining. Zukunftsorientiert und auf Nachhaltigkeit ausgerichtet vermittelt dieses Lehrbuch das theoretische Hintergrundwissen zur SchÃ1⁄4ttgutseparation. Die auf Maschinentechnik ausgerichteten Kapitel garantieren zudem einen engen Praxisbezug mit dem Schwerpunkt Recycling. Mit zahlreichen Beispielen und Übungsaufgaben der ideale Begleiter fÃ1⁄4r Studierende der Umwelt- und Verfahrenstechnik. Cover Titel Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 Aufgabenstellung „Auslegung und Konstruktion eines Rohrbündel-Wärmeübertragers (RWÜ)“ 1.1 Allgemeine Voraussetzungen für die Auslegung eines RWÜ 1.2 Hinweise zur Aufgabenstellung 1.3 Aufgabenstellung mit Detailangaben: 1.4 Hinweise zur Lösungsmethodik 2 Wärmetechnische Auslegung des RWÜ 2.1 Allgemeines 2.2 Verwendete Formelzeichen und Kenngrößen 2.3 Ausgangsdiskussion 2.3.1 Gegebene Größen 2.3.2 Stoffwerte aus der erweiterten Aufgabenstellung 2.4 Überschlägige Berechnung der erforderlichen Wärmeübertragungsfläche 2.4.1 Ermittlung des abzuleitenden Wärmestromes Q 2.4.2 Berechnung der erforderlichen Kühlwassermenge m2 2.4.3 Wahl des Wärmedurchgangskoeffizienten k 2.4.4 Ermittlung der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz Δδm 2.4.5 Berechnung der erforderlichen Wärmeübertragungsfläche Aerf 2.4.6 Begründung der Medienführung 2.4.7 Aussagen zur Verschmutzung von Wärmeübertragungsflächen 2.5 Grundlagen für die konstruktive Ausführung 2.5.1 Anordnung und Abmessung der Innenrohre 2.5.2 Anzahl der Rohre und Länge des Rohrbündels 2.6 Nachweise für den Rohrraum und den Mantelraum 2.6.1 Wärmeübertragung im Rohrraum 2.6.1.1 Ermittlung der Reynoldszahl Re 2.6.1.2 Ermittlung der Nusselt-Zahl Nui 2.6.1.3 Ermittlung der Wärmeübergangszahl αi 2.6.2 Wärmeübertragung im Mantelraum ohne Einbauten 2.6.3 Wärmeübertragung im Mantelraum mit Einbauten 2.6.3.1 Auswahl der Einbauelemente 2.6.3.2 Notwendige Ergebniskorrekturen 2.6.3.3 Auslegung der Umlenksegmente 2.6.3.4 Ermittlung der Reynoldszahl Rea 2.6.3.5 Ermittlung der Nusselt-Zahl Nua 2.6.3.6 Ermittlung der Wärmeübergangszahl αa im Außenraum 2.6.3.7 Ermittlung der Wärmedurchgangszahl k 2.7 Nachweis der Wandtemperatur 2.8 Korrektur der Wärmeübertragungsfläche 2.9 Kompensatorkriterium 2.9.1 Festlegungen in WN 75-0094 Höchst AG [37] 2.9.1.1 Kaltes Medium um die Rohre 2.9.1.2 Warmes Medium um die Rohre 2.9.2 Vorgehensweise in der Fachliteratur 2.9.3 Berechnung nach AD 2000-Merkblatt S 3/7 [45] 2.10 Zusammenfassung der wärmetechnischen Auslegung 3 Druckverlustberechnung im Mantel- und im Rohrraum des RWÜ 3.1 Druckverlust im Rohrraum ΔpRR 3.1.1 Druckverlust beim Einströmen in die Eintrittskammer ΔpE 3.1.2 Druckverlust beim Einströmen in die Rohre ΔpER 3.1.3 Druckverlust beim Durchströmen der Rohre ΔpR 3.1.4 Druckverlust beim Ausströmen aus den Rohren ΔpAR 3.1.5 Druckverlust infolge Umlenkung in den Kammern ΔpU 3.1.6 Druckverlust beim Ausströmen aus der Austrittskammer ΔpA 3.1.7 Gesamtdruckverlust im Rohrraum ΔpRR 3.2 Druckverlust im Mantelraum des RWÜ mit Einbauten 3.2.1 Druckverlust in den Mantelstutzen ΔpS 3.2.2 Druckverlust in einer Endzone ΔpQE 3.2.3 Druckverlust in der Querströmungszone ΔpQ 3.2.4 Druckverlust in einer Fensterzone ΔpF 3.2.5 Gesamtdruckverlust im Mantelraum 3.3 Ergebnis der strömungstechnischen Berechnungen 4 Überlegungen zum konstruktiven Entwurf 4.1 Allgemeine Vorgehensweise 4.2 Berücksichtigung von Gestaltungsanforderungen 4.2.1 Funktionsgerechte Gestaltung des RWÜ 4.2.2 Werkstoffgerechte Gestaltung des RWÜ 4.2.3 Beanspruchungsgerechte Gestaltung des RWÜ 4.2.4 Fertigungsgerechte Gestaltung des RWÜ 4.2.5 Prüfgerechte Gestaltung und Prüfungen im Lebenslauf des RWÜ 4.2.6 Transport- und montagegerechte Gestaltung des RWÜ 4.2.7 Wartungs- und instandhaltungsgerechte Gestaltung des RWÜ 5 Konstruktive Aufgabenstellung 6 Rechnerische Nachweise für die Apparateelemente 6.1 Grundlagen 6.2 Formelzeichen und Einheiten 6.3 Ermittlung von Berechnungswerten [6] 6.3.1 Berechnungsdruck p 6.3.2 Berechnungstemperatur v, T 6.3.3 Festigkeitskennwert K 6.3.4 Sicherheitsbeiwert S 6.3.5 Ausnutzung der zulässigen Berechnungsspannung in Fügeverbindungen, Faktor zur Berücksichtigung von Verschwächungen v 6.3.6 Zuschläge 6.3.6.1 Zuschlag zur Berücksichtigung der Wanddickenunterschreitung c1 6.3.6.2 Abnutzungszuschlag c2 6.4 Werkstoffauswahl 6.5 Berechnungsparameter 6.6 Berechnung der Apparateelemente 6.6.1 Zylindrische Wandung (Mantel) unter innerem Überdruck 6.6.2 Gewölbte Böden unter innerem Überdruck 6.6.3 Rohrbündelrohre 6.6.3.1 Bemessung auf inneren Überdruck 6.6.3.2 Bemessung auf äußeren Überdruck 6.6.4 Berechnung der Rohrböden 6.6.5 Bemessung der Flanschverbindungen 6.7 Stabilitätsberechnung 6.7.1 Lokale Lasteinleitung durch die Sattellager 6.7.1.1 Tragfähigkeitsnachweis für den Zylinder 6.7.1.2 Nachweis des Sattellagers 6.7.2 Tragfähigkeitsnachweis für die Tragösen und ihren Anschluss 6.7.3 Zusatzbelastungen durch Einzelkräfte 7 Konstruktion des RWÜ 7.1 Konstruktionszeichnung 7.2 Entwurfsprüfung 8 Fertigung des Rohrbündel-Wärmeübertragers 8.1 Wesentliche Einzelteile zur RWÜ-Fertigung 8.1.1 Gewölbte Böden 8.1.2 Ebene Böden 8.1.3 Flanschverbindungen 8.1.4 Rohre 8.2 Wesentliche allgemeine Fertigungsschritte 8.2.1 Fertigung des Mantels 8.2.2 Verbindung Rohre/Rohrboden 8.2.2.1 Einschweißen der Rohre 8.2.2.2 Einwalzen der Rohre 8.2.2.3 Hydraulisches Aufweiten der Rohre 8.2.2.4 Verbindung Rohr/Rohrboden durch Kombination verschiedener Befestigungsarten 8.3 Schlussprüfung und Druckprüfung 8.3.1 Schlussprüfung 8.3.2 Druckprüfung 8.4 Oberflächensauberkeit und Oberflächenschutz 8.5 Korrosionsschutzanstrich 8.6 Fertigungstechnologie des RWÜ DN 400 8.6.1 Fertigung der Ein- und Austrittshauben 8.6.2 Fertigung des Mantels 8.6.3 Fertigung des Rohrbündels 8.6.4 Zusammenbau 8.6.5 Abschlussarbeiten 9 Transport und Montage des RWÜ 9.1 Transport 9.2 Montage 10 Wärmedämmung 10.1 Allgemeine Aussagen 10.2 Dämmung als Berührungsschutz für den RWÜ DN 400 11 Instandsetzung von Rohrbündel-Wärmeübertragern – Schadensbehebung durch Reinigung 11.1 Allgemeines 11.2 Logistische Vorleistungen für die mechanische Reinigung von RWÜ 11.3 Mechanische Reinigung von RWÜ 11.3.1 Hochdruckwasserstrahlreinigung 11.3.2 Hochdruckreinigung unter Einsatz entsprechender Reinigungskörper 11.3.3 Reinigungsverfahren mit rotierenden Werkzeugen 11.4 Chemische Reinigung von RWÜ 11.4.1 Allgemeines 11.4.2 Anwendung auf den RWÜ DN 400 11.5 Thermische Reinigung 11.6 Trockeneisreinigung 11.7 In-situ-Reinigung von RWÜ 12 Instandsetzung von Rohrbündel-Wärmeübertragern – Schadensbehebung durch Verstopfen, Rohraustausch oder Neuberohrung 12.1 Allgemeines 12.2 Schäden an Rohrbündel-Wärmeübertragern und Schadensbehebung 12.2.1 Einsetzen von Stopfen 12.2.2 Ersatz einzelner Rohre 12.2.3 Neuberohrung 12.2.4 Sanierung von Rohrböden Anhang 1 Bezeichnungen und Begriffe für Werkstoffe Kurzzeichen in Werkstoffbezeichnungen Anhang 2 Zusammenstellung der Prüfbescheinigungen nach EN 1024:2004 (D) Anhang 3 Kennwerte für die Bemessung der Rohre nach DIN EN 10 216-1, und DIN EN 10 217-1 (AD 2000-Merkblatt W 4 Tafel A 2) Anhang 4 Kennwerte für Flacherzeugnisse nach DIN EN 10 028-2, Mindestwerte der Dehngrenze Rp0,2 bei erhöhten Temperaturen Anhang 5 Verschwächungsbeiwert vA bei sA/Di = 0,01 AD 2000-Merkblatt B 9 Anhang 6 Verschwächungsbeiwert vA bei sA/Di = 0,05 AD 2000-Merkblatt B 9 Anhang 7 Verschwächungsbeiwert vA für sA/Di/2 = 0,10 AD 2000-Merkblatt B 9 Anhang 8 Berechnungsbeiwerte β für gewölbte Böden in Klöpperform nach AD 2000-Merkblatt B 3 Anhang 9 Einsatzgrenzen für Stahlflansche nach DIN EN 1092-1 Anhang 10 Diagramme zur Ermittlung der Beiwerte K für Tragösen nach TGL 32903/17 [47] und RKF BR – A 62 Schlussbetrachtung Index