Dieser Beitrag zeigt anhand eines Rohrbündelwärmetauschers, wie sich ein vollständiger Entwicklungsprozess von der thermischen Auslegung bis zum dreidimensionalen CAD Modell mit frei verfügbarer Software umsetzen lässt.
Im Mittelpunkt steht die durchgängige Nutzung von Open Source Software, wie FreeCAD und LibreOffice Calc, die es Ingenieuren, Studierenden und Unternehmen erlaubt, unabhängig zu arbeiten. Damit lassen sich sowohl die analytischen thermodynamischen Berechnungen als auch die konstruktive Auslegung nachvollziehbar durchführen. Die Kombination aus analytischer Berechnung und parametrischer Konstruktion ermöglicht eine reproduzierbare Entwicklung.
Dieses Projekt wurde von Anup Vanjarapu, einem Masterstudenten and der Hochschule Stralsund, im Rahmen des studiumbegleitenden Praktikums bei ALSADO ertellt.
1 Einführung
Ein Rohrbündelwärmetauscher wird aufgrund seiner hohen Festigkeit und seiner Eignung für Anwendungen bei hohen Drücken und Temperaturen eingesetzt. Die Konstruktion besteht aus einem zylindrischen Mantel mit einem innenliegenden Bündel paralleler Rohre, die durch Rohrböden gehalten werden. Zwei Medienströme werden verwendet: Ein Fluid strömt durch die Rohre, während ein zweites Fluid auf der Mantelseite um die Rohre geführt wird, wobei der Wärmeaustausch über die Rohrwände erfolgt.
In dieser Anordnung strömt ein Fluid innerhalb der Rohre und ein anderes Fluid außerhalb der Rohre im Mantelraum. Der Wärmeaustausch zwischen beiden Medien erfolgt durch die Rohrwand.
Das dargestellte System zeigt einen Wärmetauscher mit geraden Rohren ohne Umlenkbleche, bei dem das Mantelfluid direkt vom Einlass zum Auslass strömt. Dies bietet den Vorteil eines geringen Druckverlustes sowie einer einfachen Reinigung und Wartung und eignet sich insbesondere für Anwendungen mit Verschmutzungsneigung oder bei Anforderungen an minimale Druckverluste.
Abbildung 10: Rohrbündelwärmetauscher im oberen Bereich und Parameterdarstellung in der unteren Tabelle aus LibreOffice Calc
Die Eingabewerte werden in der unteren Tabelle entsprechend den Anforderungen definiert, woraufhin sich alle weiteren Werte in den nachfolgenden Tabellen automatisch anpassen.
Die Auslegung gewährleistet eine Erwärmung des Rohrseitenfluids von 30 °C auf 90 °C sowie eine Abkühlung des Mantelfluids von 140 °C auf 70 °C, wodurch die erforderliche Wärmeleistung erreicht wird. Die Verwendung gerader Rohre vereinfacht die Konstruktion und reduziert den Wartungsaufwand, führt jedoch im Vergleich zu Konstruktionen mit Umlenkblechen zu einer geringeren Wärmeübertragung.
Der Wärmetauscher wurde nach dem LMTD Verfahren ausgelegt, das die entlang der Wärmetauscherlänge variierende Temperaturdifferenz zwischen heißem und kaltem Fluid berücksichtigt. Die berechnete Wärmeleistung beträgt 720 kW bei den genannten Temperaturänderungen. Mit Hilfe der LMTD Formel ergibt sich eine effektive Temperaturdifferenz von 103,19 °C. Die erforderliche Wärmeübertragungsfläche beträgt 8,72 m², was etwa 56 Rohren mit einer Länge von 2 m und einem Außendurchmesser von 0,025 m entspricht. Die Betriebskosten des Wärmetauschers betragen unter Annahme typischer Energiepreise etwa 0,05 Euro pro Stunde.
Bei Wärmetauschern variiert die Temperaturdifferenz zwischen den Medien entlang der Länge. Die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz stellt einen effektiven Mittelwert dar, der diese Variation berücksichtigt und eine korrekte Bestimmung der erforderlichen Wärmeübertragungsfläche ermöglicht.
2 Formeln
2.1 Wärmeleistung
Q = ṁ · cp · (Tout − Tin)
wobei gilt:
ṁ = Massenstrom in kg pro Sekunde
cp = spezifische Wärmekapazität in kJ pro kg und Kelvin
Tout und Tin = Austritts und Eintrittstemperatur in Grad Celsius
2.2 Logarithmische mittlere Temperaturdifferenz
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
mit:
ΔT1 = Thot,in − Tcold,out
ΔT2 = Thot,out − Tcold,in
In diesem Fall ergibt sich:
ΔT1 = 140 − 90 = 50 °C
ΔT2 = 70 − 30 = 40 °C
ΔTlm ≈ 103,19 °C
2.3 Erforderliche Wärmeübertragungsfläche
Q = U · A · ΔTlm
umgestellt:
A = Q / (U · ΔTlm)
wobei gilt:
U = Gesamtwärmeübergangskoeffizient
A = Wärmeübertragungsfläche
Ergebnis:
A = 8,72 m²
2.4 Anzahl der Rohre
N = A / (π · do · L)
wobei gilt:
do = Außendurchmesser eines Rohres
L = Rohrlänge
Einsetzen der Werte:
N = 8,72 / (π · 0,025 · 2) ≈ 55,55 Rohre
2.5 Betriebskosten pro Stunde
Kosten pro Stunde = Q · Kosten pro kWh
Energiekosten in Deutschland betragen etwa 0,05 Euro pro Stunde.
Abbildung 11: Tabelle aus LibreOffice Calc mit den berechneten Werten
Der Rohrbündelwärmetauscher ist für den Betrieb unter hohen Temperaturen und Drücken ausgelegt und gewährleistet Zuverlässigkeit und Sicherheit für industrielle Anwendungen. Die folgende Darstellung fasst die wesentlichen Auslegungsparameter für Mantel und Rohrseite zusammen.
Abbildung 12: Tabelle aus LibreOffice Calc mit wichtigen Auslegungsparametern des Wärmetauschers sowie schematische Darstellung des Systems
Die gewählten Auslegungsparameter für Temperatur und Druck erhöhen die strukturelle Festigkeit des Wärmetauschers und gewährleisten einen sicheren Betrieb unter anspruchsvollen Prozessbedingungen. Die zulässigen Spannungen werden auf Basis der Materialkennwerte gemäß den ASME Auslegungsrichtlinien bestimmt. Für Mantel und Rohrseite wurde ein Korrosionszuschlag von 1 mm berücksichtigt, um Materialabtrag über die Betriebsdauer auszugleichen und die Lebensdauer zu verlängern.
Dieser Auslegungsprozess stellt sicher, dass der Wärmetauscher effizient arbeitet, ausreichende Sicherheitsreserven besitzt, den Anforderungen der ASME Section VIII Division 1 entspricht und eine hohe Dauerfestigkeit unter zyklischer Belastung sowie in korrosiven Umgebungen aufweist.
3 Mantelauslegung
Der Mantel ist das primäre drucktragende Bauteil des Rohrbündelwärmetauschers. Er umschließt das Rohrbündel und bildet einen gerichteten Strömungskanal für das Mantelfluid. Der Mantel wurde als zylindrisches Gefäß mit halbkugelförmigen Endkappen ausgeführt, um Spannungskonzentrationen zu minimieren und die Druckbeständigkeit zu verbessern.
4 Auslegungsparameter
Manteldurchmesser Dₛ: 0,1780 m
Mantellänge Lₛ: 2,5 m
Manteldicke tₛ: 0,12 m
Auslegungsdruck: 138 bar
Auslegungstemperatur: 538 °C
Zulässige Spannung σₐ: 48 MPa
Korrosionszuschlag: 1 mm
4.1 Wanddickenberechnung nach ASME Section VIII Division 1
Die erforderliche Wanddicke wird mit der Näherung für dünnwandige Zylinder berechnet:
t_req = (P · D) / (2 · σₐ · E − 1,2 · P) + C
t_req = (13,8 × 10⁶ · 0,178) / (2 · (48 × 10⁶) − 1,2 · (13,8 × 10⁶)) + 0,001016
t_req = 0,0319 m ≈ 31,9 mm
Dabei gilt:
P = Auslegungsdruck
D = Innendurchmesser
σₐ = zulässige Spannung
E = Schweißnahtwirkungsgrad
C = Korrosionszuschlag
Die tatsächliche Manteldicke wurde auf 120 mm festgelegt und liegt damit deutlich über dem berechneten Wert. Dies führt zu einem sehr hohen Sicherheitsfaktor und einer hohen Steifigkeit gegenüber Verformung.
Die Geometrie sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Mantelfluids über die Rohrflächen und verbessert die Wärmeübertragung. Zusätzlich ist der Mantel mit Anschlussstutzen, Inspektionsöffnungen und Halterungen ausgestattet. Die Enden werden durch Deckel geschlossen.
Abbildung 13: Mantel des Rohrbündelwärmetauschers
Das Modell wurde mit FreeCAD konstruiert. Die Gesamtabmessungen betragen Durchmesser Φ6,4 mm, Wandstärke 3 mm und Länge 250 mm. Vier Anschlussstutzen sind vorhanden für Ein und Auslass von Rohr und Mantelseite.
5 Rohre
Das Rohr ist das zentrale Wärmeübertragungselement im Wärmetauscher. Ein Medium strömt durch die Rohre, während ein zweites Medium auf der Mantelseite geführt wird.
Die Rohre sind dünnwandig und besitzen einen kleinen Durchmesser, um die Wärmeübertragungsfläche zu maximieren. Ihre Anordnung beeinflusst Strömungsverhalten, Druckverlust und Wärmeübertragungsleistung.
Die Rohre sind an beiden Enden in Rohrböden fixiert, wodurch eine dichte Trennung der beiden Medien gewährleistet wird.
Abbildung 14: 3D CAD Modell eines Rohres
Das Rohr wurde in FreeCAD konstruiert. Insgesamt wurden 56 Rohre im Mantel angeordnet.
Abbildung 15: Tabelle mit Abmessungen und Anordnung der Rohre
6 Rohrboden
Der Rohrboden ist ein zentrales Bauteil des Wärmetauschers. Er fixiert die Rohre und bildet gleichzeitig eine Dichtfläche zwischen Mantel und Rohrseite.
Abbildung 16: Tabelle mit Abmessungen des Rohrbodens
6.1 Anzahl der Rohre bei hexagonaler Anordnung
N = 1 + 3n(n + 1)
Für n = 4 ergibt sich:
N = 64 Rohre
6.2 Berechnung der Teilung und des maximalen Rohrdurchmessers
R = n · P
R = 4P
Bedingung:
R + d/2 ≤ 6,4
Mit P = 1,2d ergibt sich:
4,8d + 0,5d ≤ 6,4
5,3d ≤ 6,4
d ≤ 1,21 mm
Abbildung 17: 3D CAD Modell eines Rohrbodens
Das Modell wurde in FreeCAD erstellt. Die Bohrungen basieren auf den berechneten Werten und werden in Kombination mit einer Trennplatte eingesetzt.
Abbildung 18: 3D CAD Modell eines weiteren Rohrbodens
Dieses Bauteil befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Mantels und wurde ebenfalls in FreeCAD konstruiert.
7 Partition plate
Die Trennplatte, auch als Umlenk oder Passplatte bezeichnet, ist ein wesentliches Bauteil in einem Rohrbündelwärmetauscher. Ihre Hauptfunktion besteht darin, den Fluidstrom innerhalb des Wärmetauschers in mehrere Durchgänge zu unterteilen. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und die Wärmeübertragung verbessert.
Indem das Fluid gezielt durch definierte Strömungswege geführt wird, sorgt die Trennplatte für eine bessere Ausnutzung der Wärmeübertragungsfläche der Rohre. Die Platte wird in der Regel aus demselben oder einem kompatiblen Werkstoff wie der Rohrboden gefertigt, beispielsweise aus Kohlenstoffstahl oder Edelstahl. Dadurch wird die strukturelle Integrität sowie die Beständigkeit gegenüber Korrosion, thermischen Spannungen und Strömungserosion sichergestellt.
Abbildung 19: 3D CAD Modell einer Trennplatte
Das Modell wurde mit FreeCAD konstruiert. Die Abmessungen betragen Durchmesser Φ12,76 mm und Länge 28 mm.
8 Rohrverbindungen
In einem Rohrbündelwärmetauscher werden Rohrverbindungen verwendet, um die Enden der geraden Rohre miteinander zu verbinden und dem Fluid eine Richtungsänderung zu ermöglichen. Dies ist insbesondere bei Mehrpass Wärmetauschern erforderlich, bei denen das Fluid das Rohrbündel mehrfach durchströmt, bevor es austritt.
Die Umlenkungen werden in Form von U Bögen oder anderen Winkelformen, beispielsweise 90°, 120° oder 180°, ausgeführt, abhängig von der Konfiguration der Rohrdurchgänge. Diese Umlenkungen gewährleisten eine gezielte Strömungsführung und minimieren gleichzeitig Turbulenzen und Druckverluste.
Abbildung 20: Rohrverbindung 1, konstruiert in FreeCAD, Länge 4 mm
Abbildung 21: Rohrverbindung 2, konstruiert in FreeCAD, Länge 5,5 mm
Abbildung 22: Rohrverbindung 3, konstruiert in FreeCAD, Länge 7 mm
Abbildung 23: Rohrverbindung 4, konstruiert in FreeCAD, Länge 8,5 mm
9 Zusammenbau
Der vollständige Zusammenbau des Rohrbündelwärmetauschers wurde in FreeCAD durchgeführt, indem alle modellierten Komponenten systematisch integriert wurden. Dazu gehören Mantel, Rohrbündel, Rohrböden, Anschlussstutzen, Trennplatte und Umlenkverbindungen.
Die Rohre wurden entsprechend einer dreieckigen Anordnung mit 30° Teilung ausgerichtet und in den Rohrböden fixiert, um eine maximale Wärmeübertragungsleistung sowie eine kompakte Bauweise zu gewährleisten. Anschließend wurde der Mantel mit Ein und Auslassstutzen für Mantel und Rohrseite ausgestattet, um den Ein und Austritt der Fluide sicherzustellen.
Während des Zusammenbaus wurden geometrische Zwangsbedingungen wie achsiale Ausrichtung, Parallelität und Flächenausrichtung angewendet, um eine präzise Positionierung aller Komponenten zu gewährleisten. Die Trennplatte wurde eingesetzt, um die Strömung auf der Mantelseite zu lenken und die Wärmeübertragungsfläche optimal zu nutzen. Die Umlenkverbindungen wurden verwendet, um eine Mehrpass Konfiguration zu realisieren, wodurch Turbulenzen innerhalb der Rohre erhöht und die thermische Leistung verbessert werden.
Das finale Zusammenbaumodell zeigt anschaulich, wie alle Einzelkomponenten zu einer funktionsfähigen Einheit integriert werden. Das Modell entspricht in Aufbau und Funktion industriellen Rohrbündelwärmetauschern, wie sie in der chemischen Industrie, in thermischen Anlagen und in verfahrenstechnischen Prozessen eingesetzt werden.
Abbildung 24: Zusammengebautes Modell eines Rohrbündelwärmetauschers
Der Zusammenbau wurde vollständig in FreeCAD durchgeführt und zeigt eine realitätsnahe Darstellung eines industriellen Wärmetauschers.
10 Stückliste und Werkstoffauswahl
Der Rohrbündelwärmetauscher besteht aus mehreren zentralen Komponenten, die jeweils gemäß den ASME Richtlinien ausgelegt und gefertigt werden, um Zuverlässigkeit, thermische Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit sicherzustellen. Die Werkstoffauswahl erfolgt auf Basis von Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Wirtschaftlichkeit sowie Eignung für hohe Temperaturen und Drücke.
Mantel – Kohlenstoffstahl (ASTM A516 Gr 70)
Funktion: Bildet den zylindrischen Grundkörper, der das Rohrbündel aufnimmt und das Mantelfluid führt.
Begründung der Auswahl: Kohlenstoffstahl bietet hohe Festigkeit, Zähigkeit und Wirtschaftlichkeit. ASTM A516 Grade 70 wird häufig für Druckbehälter eingesetzt, da er gute Schweißeigenschaften und zuverlässige Eigenschaften bei moderaten Temperaturen aufweist.
Rohre – Edelstahl 316L (ASTM A213)
Funktion: Führen das Rohrseitenfluid und ermöglichen den Wärmeaustausch mit dem Mantelfluid.
Begründung der Auswahl: Edelstahl 316L besitzt eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegenüber Chloriden und aggressiven Medien. Der geringe Kohlenstoffgehalt verhindert Sensibilisierung und erhöht die Lebensdauer.
Rohrböden – Kohlenstoffstahl mit SS316L Beschichtung
Funktion: Fixieren die Rohre an beiden Enden des Wärmetauschers.
Begründung der Auswahl: Kohlenstoffstahl liefert die notwendige strukturelle Festigkeit und Wirtschaftlichkeit, während die Beschichtung aus SS316L die Kontaktbereiche gegen Korrosion schützt und Spalt sowie Kontaktkorrosion verhindert.
Rohrbündel – Edelstahl 316L
Funktion: Vormontierte Einheit aus Rohren mit Zugstangen für einfache Wartung und Austausch.
Begründung der Auswahl: Die vollständige Ausführung in SS316L erhöht die Beständigkeit gegen Korrosion und thermische Spannungen und sorgt für eine lange Lebensdauer.
Manteldeckel – Kohlenstoffstahl (ASTM A516 Gr 70)
Funktion: Verschließt den Mantel auf der gegenüberliegenden Seite des Kanals und ermöglicht Wartungszugang.
Begründung der Auswahl: Kohlenstoffstahl gewährleistet ausreichende Festigkeit und bleibt kosteneffizient, entsprechend dem Mantelwerkstoff.
Ein und Auslassstutzen – Kohlenstoffstahl (ASTM A105)
Funktion: Ermöglichen den Eintritt und Austritt der Fluide auf Mantel und Rohrseite.
Begründung der Auswahl: Geschmiedeter Kohlenstoffstahl nach ASTM A105 bietet hohe Zähigkeit und Zuverlässigkeit für Flanschverbindungen unter Druck.
Flansche – ASTM A105 geschmiedeter Stahl
Funktion: Stellen lösbare Verbindungen für Stutzen und weitere Komponenten her.
Begründung der Auswahl: Geschmiedete Flansche sind mechanisch belastbar, langlebig und druckbeständig.
Dichtungen – Spiralwendeldichtung (SS304 mit Graphit)
Funktion: Gewährleisten eine dichte Verbindung zwischen Flanschen.
Begründung der Auswahl: SS304 sorgt für mechanische Stabilität, während Graphit eine hohe Temperaturbeständigkeit und chemische Verträglichkeit bietet.
Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben – ASTM A193 Gr B7 / A194 Gr 2H
Funktion: Befestigung von Flanschen und Deckeln.
Begründung der Auswahl: Hochfeste legierte Stähle gewährleisten ausreichende Vorspannkraft unter Druck und Temperaturbelastung.
Mantellagerung – Kohlenstoffstahl (ASTM A36)
Funktion: Stützt den Mantel während Installation und Betrieb.
Begründung der Auswahl: ASTM A36 ist wirtschaftlich, ausreichend fest und geeignet für statische Tragstrukturen.
Ablassstutzen – Kohlenstoffstahl (ASTM A105)
Funktion: Ermöglicht das Entfernen von Kondensat oder Flüssigkeit aus dem Mantelboden.
Begründung der Auswahl: ASTM A105 gewährleistet Dauerhaftigkeit bei Druckbeanspruchung.
Entlüftungsstutzen – Kohlenstoffstahl (ASTM A105)
Funktion: Dient zur Entlüftung beim Befüllen und Anfahren der Anlage.
Begründung der Auswahl: Bietet zuverlässige Druckabdichtung und ist gleichzeitig kosteneffizient.
Thermohülsen – Edelstahl 316L mit Einsatz
Funktion: Ermöglichen den sicheren Einsatz von Temperaturmessfühlern ohne direkten Kontakt mit dem Prozessmedium.
Begründung der Auswahl: SS316L widersteht Korrosion bei hohen Temperaturen und stellt eine genaue Messung sicher.
Druckmessanschlüsse – Edelstahl 316L
Funktion: Dienen zur Messung des Druckverlustes auf Mantel und Rohrseite.
Begründung der Auswahl: SS316L bietet Korrosionsbeständigkeit und gewährleistet langfristig präzise Messergebnisse.
Abbildung 25: Tabelle aus LibreOffice Calc mit der Stückliste
Fazit
Die Ergebnisse zeigen, dass Open Source Forschung eine vollwertige Grundlage für die Entwicklung industrieller Komponenten wie Rohrbündelwärmetauscher bietet. Die Kombination aus thermischer Auslegung mittels LMTD Verfahren und der konstruktiven Umsetzung in FreeCAD ermöglicht eine durchgängige und technisch belastbare Entwicklungskette.
Die berechneten Kennwerte, die strukturmechanische Auslegung sowie der vollständige Zusammenbau belegen, dass sich mit frei verfügbaren Werkzeugen sowohl funktionale als auch sicherheitsrelevante Anforderungen erfüllen lassen. Insbesondere die Berücksichtigung von ASME Richtlinien, Korrosionszuschlägen und realistischen Betriebsbedingungen zeigt die industrielle Anwendbarkeit dieses Ansatzes.
Darüber hinaus senkt Open Source Forschung die Eintrittsbarrieren für die Produktentwicklung erheblich. Ingenieure können eigenständig Systeme entwickeln, validieren und optimieren, ohne auf kostenintensive Software angewiesen zu sein. Damit leistet Open Source Forschung einen entscheidenden Beitrag zur Förderung von Innovation, technischer Unabhängigkeit und nachhaltiger Entwicklung im Maschinenbau.