Der am weitesten verbreitete Wärmetauscher: Rohrbündelwärmetauscher

Einführung

Wärmetauscher sind wesentliche Komponenten in vielen industriellen und kommerziellen Prozessen und ermöglichen die Übertragung von Wärme von einem Medium auf ein anderes ohne direkten Kontakt. Unter den vielen verfügbaren Typen – darunter Platten-, Rippenrohr-, Spiral- und Doppelrohrwärmetauscher – sticht der Rohrbündelwärmetauscher (STHE) als der weltweit am häufigsten verwendete heraus. Seine Vielseitigkeit, Haltbarkeit und Effizienz machen es zum Eckpfeiler des Wärmemanagements in Sektoren wie Energieerzeugung, Öl und Gas, Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik, chemische Verarbeitung und mehr.

Was ist ein Rohrbündelwärmetauscher?

Ein Rohrbündelwärmetauscher besteht aus einer Reihe von Rohren, die in einem zylindrischen Mantel eingeschlossen sind. Eine Flüssigkeit fließt durch die Rohre, während eine andere Flüssigkeit über die Rohre (innerhalb der Hülle) strömt, um Wärme auszutauschen. Dieser indirekte Kontakt gewährleistet eine Wärmeübertragung ohne Flüssigkeitsvermischung.

Grundstruktur:
Röhren: Typischerweise in Bündeln angeordnet und können gerade oder U-förmig sein.

Hülle: Ein zylindrisches Gefäß, das die Rohre umgibt und die zweite Flüssigkeit enthält.

Rohrböden: Platten, die die Rohre in Position halten und Flüssigkeiten isolieren.

Leitbleche: Leiten die mantelseitige Flüssigkeit, um Turbulenzen und Wärmeübertragung zu erhöhen.

Köpfe oder Endkappen: Leiten Flüssigkeit in die Rohre hinein und aus ihnen heraus.

Funktionsprinzip

Das primäre Funktionsprinzip eines Rohrbündelwärmetauschers ist die konvektionsbasierte Wärmeübertragung zwischen zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Temperaturen. Über die Rohrwand fließt Wärme von der heißeren zur kühleren Flüssigkeit.

Es gibt drei Hauptflusskonfigurationen:

Parallelfluss – Beide Flüssigkeiten bewegen sich in die gleiche Richtung.

Gegenstrom – Flüssigkeiten bewegen sich für eine höhere Effizienz in entgegengesetzte Richtungen.

Querströmung – Flüssigkeiten fließen senkrecht zueinander.

Designvarianten

Um verschiedenen Anwendungen gerecht zu werden, werden Rohrbündelwärmetauscher in verschiedenen Konfigurationen entwickelt:

One-Pass oder Multi-Pass (Flüssigkeit durchläuft einen oder mehrere Durchgänge durch die Rohre)

Fester Rohrboden – einfach und wirtschaftlich; auf geringe Wärmeausdehnung beschränkt.

Schwimmender Kopf oder U-Rohr – Nimmt die Wärmeausdehnung auf; einfachere Reinigung und Wartung.

TEMA-Standards – Die Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) standardisiert STHEs ​​in Klassen (R, C, B) für Raffinerie-, Gewerbe- und Chemieanwendungen.

Warum wird es am häufigsten verwendet?

1. Vielseitigkeit
Rohrbündelwärmetauscher können einen weiten Temperaturbereich (bis zu 1000 °C) und einen großen Druckbereich (bis zu 500 bar) bewältigen. Sie können an viele Prozessanforderungen, Flüssigkeiten und Installationsumgebungen angepasst werden.

2. Haltbarkeit und Zuverlässigkeit
Diese aus robusten Materialien wie Edelstahl, Titan oder Inconel gefertigten Wärmetauscher eignen sich für korrosive und stark beanspruchte Umgebungen. Bei ordnungsgemäßer Wartung haben sie eine lange Lebensdauer.

3. Skalierbarkeit
Sie sind in einer Vielzahl von Größen erhältlich – von kleinen Einheiten für Labore bis hin zu riesigen Industrieanlagen.

4. Einfache Wartung
Modelle wie U-Rohr- oder Schwimmkopf-Designs ermöglichen die Reinigung und den Rohraustausch ohne Demontage des gesamten Systems.

5. Wärmeeffizienz
Bei geeignetem Design (z. B. Leitbleche, Mehrfachdurchgänge) können STHEs eine sehr effiziente Wärmeübertragung erreichen, insbesondere in Gegenstromanordnungen.

Allgemeine Anwendungen

1. Öl- und Gasindustrie
Kühlschmierstoffe und Hydraulikflüssigkeiten

Wärmerückgewinnung aus Rauchgasen

Kondensation von Dampf und Dämpfen

2. Stromerzeugung
Speisewassererhitzer

Dampfkondensatoren in Wärmekraftwerken

3. Chemische Verarbeitung
Temperaturkontrolle von Reaktoren

Produkterwärmung und -kühlung

4. HVAC und Kühlung
Kaltwassersysteme

Kondensatoren und Verdampfer

5. Marine und Luft- und Raumfahrt
Motorkühlsysteme

Abwärmerückgewinnung

Baumaterialien
Die Materialauswahl ist entscheidend und hängt von Temperatur, Druck und Korrosionsbeständigkeit ab:

Kohlenstoffstahl – Häufig für kostengünstige Anwendungen.

Edelstahl – Hohe Korrosionsbeständigkeit.

Kupferlegierungen – Hervorragende Wärmeleitfähigkeit.

Titan – Wird für Meerwasser oder stark korrosive Flüssigkeiten verwendet.

Nickellegierungen (Inconel, Hastelloy) – Für extreme Umgebungen.