Dieses praxisorientierte Lehrbuch für Ingenieurstudenten der höheren Semester gibt einen Überblick über die ganzheitliche und vertiefte Betrachtungsweise des Apparate Entwurfes. Wärmeübertragung/Wärmeübertrager sind elementare Bestandteile in den Studienrichtungen
Verfahrenstechnik und Maschinenbau, aber auch angrenzenden Studienrichtungen. Für diese Studienfächer steht eine ausreichende Anzahl guter Fachliteratur zur Verfügung, die die Lehre bei der wärmetechnischen Auslegung, der Druckverlustberechnung und dem konstruktiven Entwurf unterstützt. Für darüber hinausgehende Themen steht wenig Zeit zur Verfügung oder sie sind nicht Inhalt des Lehrstoffes. Diese Begrenzung der Stoffvermittlung soll mit vorliegendem Fachbuch etwas gelockert werden und im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung den Studierenden einen kleinen Einblick in Themenkreise gewähren, die den Lebenslauf eines Wärmeübertragers charakterisieren. Anhand eines praktischen Beispiels werden nach der üblichen Auslegung des Apparates Grundlagen für den konstruktiven Entwurf diskutiert, die festigkeitsmäßige Bemessung der Bauteile behandelt und die Konstruktion vorgestellt. Anschließend erfolgt ein Überblick über die Fertigung und Montage des Wärmeübertragers und endet mit der Instandhaltung/Instandsetzung und ihren Problemen und Anforderungen. Neben der Anwendung von Wissen aus den Grundlagenfächern soll aber vor allem die Themenhandlung den Studierenden als Ergänzung zum Vorlesungsstoff dienen und ihren Gesichtskreis erweitern.

Dadurch wird dieses Buch ein unverzichtbares Lehrbuch für alle Dozenten und Studenten höheren Semesters der Verfahrenstechnik, Maschinenbau, sowie für Ingenieure der Chemie, Maschinenbau und Verfahrenstechnik.

Eberhard Wegener - nach der Lehre Abitur und Ingenieurstudium Chemischer Apparatebau. Anschlie?end 10 Jahre Tatigkeit in der Apparatekonstruktion und spater in der Anlagenrealisierung. Zwischenzeitlich Qualifizierung zum Schwei?konstrukteur am Zentralinstitut
fur Schwei?technik Halle und Abschluss eines Hochschulstudiums Verfahrenstechnik an der Technischen Universitat Magdeburg im Fernstudium. Ab 1970 Ubernahme der Ingenieurausbildung in der Fachrichtung Chemieanlagenbau an der Ingenieurschule
Furstenwalde, Lehrtatigkeit in den Studienfachern Apparate- und Anlagenbau. Abschluss eines Postgradualstudiums Fachschulpadagogik und externe Promotion an der Technischen Universitat Magdeburg. Mitarbeit in verschiedenen Gremien der Chemischen Industrie
und im Hoch- und Fachschulwesen. 1992 Ruf an die Technische Fachhochschule Wildau, Dekan des Fachbereiches Verfahrenstechnik, spater Ingenieurwesen/Wirtschaftsingenieurwesen. Lehrgebiete Apparate- und Anlagenbau. Vertreter der TH Wildau im Fachbereichstag
Verfahrenstechnik. Neben Fachartikeln Autor der beim WILEY-VCH Verlag erschienenen Fachbucher 'Festigkeitsberechnung verfahrenstechnischer Apparate' und 'Montagegerechte Anlagenplanung'.

Vorwort XI

1 Aufgabenstellung Auslegung und Konstruktion eines Rohrbündel-Wärmeübertragers (RWÜ) 1

1.1 Allgemeine Voraussetzungen für die Auslegung eines RWÜ 1

1.2 Hinweise zur Aufgabenstellung 1

1.3 Aufgabenstellung mit Detailangaben: 2

1.4 Hinweise zur Lösungsmethodik 4

2 Wärmetechnische Auslegung des RWÜ 7

2.1 Allgemeines 7

2.2 Verwendete Formelzeichen und Kenngrößen 11

2.3 Ausgangsdiskussion 14

2.3.1 Gegebene Größen 15

2.3.2 Stoffwerte aus der erweiterten Aufgabenstellung 17

2.4 Überschlägige Berechnung der erforderlichen Wärmeübertragungsfläche 17

2.4.1 Ermittlung des abzuleitenden Wärmestromes Q_ 17

2.4.2 Berechnung der erforderlichen Kühlwassermenge m_ 2 18

2.4.3 Wahl des Wärmedurchgangskoeffizientenk 19

2.4.4 Ermittlung der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz Ddm 20

2.4.5 Berechnung der erforderlichen Wärmeübertragungsfläche Aerf 24

2.4.6 Begründung der Medienführung 24

2.4.7 Aussagen zur Verschmutzung von Wärmeübertragungsflächen 25

2.5 Grundlagen für die konstruktive Ausführung 29

2.5.1 Anordnung und Abmessung der Innenrohre 30

2.5.2 Anzahl der Rohre und Länge des Rohrbündels 34

2.6 Nachweise für den Rohrraum und den Mantelraum 38

2.6.1 Wärmeübertragung im Rohrraum 39

2.6.1.1 Ermittlung der Reynoldszahl Re 40

2.6.1.2 Ermittlung der Nusselt-Zahl Nui 40

2.6.1.3 Ermittlung der Wärmeübergangszahl ai 43

2.6.2 Wärmeübertragung im Mantelraum ohne Einbauten 43

2.6.3 Wärmeübertragung im Mantelraum mit Einbauten 45

2.6.3.1 Auswahl der Einbauelemente 45

2.6.3.2 Notwendige Ergebniskorrekturen 47

2.6.3.3 Auslegung der Umlenksegmente 49

2.6.3.4 Ermittlung der Reynoldszahl Rea 52

2.6.3.5 Ermittlung der Nusselt-Zahl Nua 54

2.6.3.6 Ermittlung der Wärmeübergangszahl aa im Außenraum 62

2.6.3.7 Ermittlung der Wärmedurchgangszahlk 63

2.7 Nachweis der Wandtemperatur 65

2.8 Korrektur der Wärmeübertragungsfläche 67

2.9 Kompensatorkriterium 69

2.9.1 Festlegungen in WN 75-0094 Höchst AG [37] 70

2.9.1.1 Kaltes Medium um die Rohre 70

2.9.1.2 Warmes Medium um die Rohre 71

2.9.2 Vorgehensweise in der Fachliteratur 72

2.9.3 Berechnung nach AD 2000-Merkblatt S 3/7 [45] 75

2.10 Zusammenfassung der wärmetechnischen Auslegung 78

3 Druckverlustberechnung im Mantel- und im Rohrraum des RWÜ 83

3.1 Druckverlust im Rohrraum DpRR 84

3.1.1 Druckverlust beim Einströmen in die Eintrittskammer DpE 85

3.1.2 Druckverlust beim Einströmen in die Rohre DpER 88

3.1.3 Druckverlust beim Durchströmen der Rohre DpR 90

3.1.4 Druckverlust beim Ausströmen aus den Rohren DpAR 93

3.1.5 Druckverlust infolge Umlenkung in den Kammern DpU 94

3.1.6 Druckverlust beim Ausströmen aus der Austrittskammer DpA 94

3.1.7 Gesamtdruckverlust im Rohrraum DpRR 95

3.2 Druckverlust im Mantelraum des RWÜ mit Einbauten 97

3.2.1 Druckverlust in den Mantelstutzen DpS 104

3.2.2 Druckverlust in einer Endzone DpQE 105

3.2.3 Druckverlust in der Querströmungszone DpQ 112

3.2.4 Druckverlust in einer Fensterzone DpF 117

3.2.5 Gesamtdruckverlust im Mantelraum 120

3.3 Ergebnis der strömungstechnischen Berechnungen 120

4 Überlegungen zum konstruktiven Entwurf 125

4.1 Allgemeine Vorgehensweise 125

4.2 Berücksichtigung von Gestaltungsanforderungen 127

4.2.1 Funktionsgerechte Gestaltung des RWÜ 127

4.2.2 Werkstoffgerechte Gestaltung des RWÜ 128

4.2.3 Beanspruchungsgerechte Gestaltung des RWÜ 130

4.2.4 Fertigungsgerechte Gestaltung des RWÜ 131

4.2.5 Prüfgerechte Gestaltung und Prüfungen im Lebenslauf des RWÜ 134

4.2.6 Transport- und montagegerechte Gestaltung des RWÜ 135

4.2.7 Wartungs- und instandhaltungsgerechte Gestaltung des RWÜ 139

5 Konstruktive Aufgabenstellung 141

6 Rechnerische Nachweise für die Apparateelemente 145

6.1 Grundlagen 145

6.2 Formelzeichen und Einheiten 147

6.3 Ermittlung von Berechnungswerten [6] 148

6.3.1 Berechnungsdruck p 148

6.3.2 Berechnungstemperatur #, T 149

6.3.3 Festigkeitskennwert K 149

6.3.4 Sicherheitsbeiwert S 149

6.3.5 Ausnutzung der zulässigen Berechnungsspannung in Fügeverbindungen, Faktor zur Berücksichtigung von Verschwächungen n 150

6.3.6 Zuschläge 150

6.3.6.1 Zuschlag zur Berücksichtigung der Wanddickenunterschreitung c1 150

6.3.6.2 Abnutzungszuschlag c2 151

6.4 Werkstoffauswahl 151

6.5 Berechnungsparameter 151

6.6 Berechnung der Apparateelemente 153

6.6.1 Zylindrische Wandung (Mantel) unter innerem Überdruck 153

6.6.2 Gewölbte Böden unter innerem Überdruck 156

6.6.3 Rohrbündelrohre 158

6.6.3.1 Bemessung auf inneren Überdruck 158

6.6.3.2 Bemessung auf äußeren Überdruck 159

6.6.4 Berechnung der Rohrböden 161

6.6.5 Bemessung der Flanschverbindungen 165

6.7 Stabilitätsberechnung 167

6.7.1 Lokale Lasteinleitung durch die Sattellager 168

6.7.1.1 Tragfähigkeitsnachweis für den Zylinder 170

6.7.1.2 Nachweis des Sattellagers 172

6.7.2 Tragfähigkeitsnachweis für die Tragösen und ihren Anschluss 172

6.7.3 Zusatzbelastungen durch Einzelkräfte 177

7 Konstruktion des RWÜ 181

7.1 Konstruktionszeichnung 181

7.2 Entwurfsprüfung 181

8 Fertigung des Rohrbündel-Wärmeübertragers 185

8.1 Wesentliche Einzelteile zur RWÜ-Fertigung 186

8.1.1 Gewölbte Böden 186

8.1.2 Ebene Böden 190

8.1.3 Flanschverbindungen 197

8.1.4 Rohre 202

8.2 Wesentliche allgemeine Fertigungsschritte 203

8.2.1 Fertigung des Mantels 203

8.2.2 Verbindung Rohre/Rohrboden 205

8.2.2.1 Einschweißen der Rohre 206

8.2.2.2 Einwalzen der Rohre 212

8.2.2.3 Hydraulisches Aufweiten der Rohre 216

8.2.2.4 Verbindung Rohr/Rohrboden durch Kombination verschiedener Befestigungsarten 217

8.3 Schlussprüfung und Druckprüfung 219

8.3.1 Schlussprüfung 219

8.3.2 Druckprüfung 220

8.4 Oberflächensauberkeit und Oberflächenschutz 220

8.5 Korrosionsschutzanstrich 224

8.6 Fertigungstechnologie des RWÜ DN 400 225

8.6.1 Fertigung der Ein- und Austrittshauben 225

8.6.2 Fertigung des Mantels 226

8.6.3 Fertigung des Rohrbündels 226

8.6.4 Zusammenbau 227

8.6.5 Abschlussarbeiten 227

9 Transport und Montage des RWÜ 229

9.1 Transport 229

9.2 Montage 231

10 Wärmedämmung 233

10.1 Allgemeine Aussagen 233

10.2 Dämmung als Berührungsschutz für den RWÜ DN 400 238

11 Instandsetzung von Rohrbündel-Wärmeübertragern Schadensbehebung durch Reinigung 241

11.1 Allgemeines 241

11.2 Logistische Vorleistungen für die mechanische Reinigung von RWÜ 243

11.3 Mechanische Reinigung von RWÜ 248

11.3.1 Hochdruckwasserstrahlreinigung 249

11.3.2 Hochdruckreinigung unter Einsatz entsprechender Reinigungskörper 254

11.3.3 Reinigungsverfahren mit rotierenden Werkzeugen 262

11.4 Chemische Reinigung von RWÜ 262

11.4.1 Allgemeines 262

11.4.2 Anwendung auf den RWÜ DN 400 263

11.5 Thermische Reinigung 266

11.6 Trockeneisreinigung 267

11.7 In-situ-Reinigung von RWÜ 270

12 Instandsetzung von Rohrbündel-Wärmeübertragern Schadensbehebung durch Verstopfen, Rohraustausch oder Neuberohrung 273

12.1 Allgemeines 273

12.2 Schäden an Rohrbündel-Wärmeübertragern und Schadensbehebung 273

12.2.1 Einsetzen von Stopfen 276

12.2.2 Ersatz einzelner Rohre 281

12.2.3 Neuberohrung 284

12.2.4 Sanierung von Rohrböden 288

Anhang 1 Bezeichnungen und Begriffe für Werkstoffe Kurzzeichen in Werkstoffbezeichnungen 293

Anhang 2 Zusammenstellung der Prüfbescheinigungen nach EN 1024:2004 (D) 295

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) 297

Anhang 4 Kennwerte für Flacherzeugnisse nach DIN EN 10 028-2, Mindestwerte der Dehngrenze Rp0,2 bei erhöhten Temperaturen 299

Anhang 5 Verschwächungsbeiwert vA bei sA=Di 0,01 AD 2000-Merkblatt B 9 301

Anhang 6 Verschwächungsbeiwert vA bei sA=Di 0,05 AD 2000-Merkblatt B 9 303

Anhang 7 Verschwächungsbeiwert vA für sA= Di 2 0,10 AD 2000-Merkblatt B 9 305

Anhang 8 Berechnungsbeiwerte b für gewölbte Böden in Klöpperform nachAD 2000-Merkblatt B 3 307

Anhang 9 Einsatzgrenzen für Stahlflansche nach DIN EN 1092-1 309

Anhang 10 Diagramme zur Ermittlung der Beiwerte K für Tragösen nach TGL 32903/17 [47] und RKF BR A 62 [48] 311

Schlussbetrachtung 313

Index 315