Projekt 25923/01

Untersuchung des Einflusses von raschen Temperaturänderungen auf die Materialbeanspruchung von Rohrbündelwärmeübertragern in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen

Projektträger

APROVIS Energy Systems GmbH
Ornbauer Str. 10
91746 Weidenbach
Telefon: 09826 6583 111

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Systembedingte Verschmutzung von Wärmeübertragern kann den Wärmedurchgang und somit den Wirkungskrad einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in kurzer Zeit verschlechtern. Automatisierte Reinigung ist eine Möglichkeit diesem Prozess nachhaltig entgegenzuwirken. Ein mit der automatisierten Reinigung verbundenes Risiko ist eine erhöhte Materialbeanspruchung, die sich lebensdauerverkürzend auswirken kann. Das angestrebte Vorhaben soll eine Berechnungsmethode erarbeiten, um die hergerufenen Spannungen in ausreichender Genauigkeit vorhersagen und somit Rückschlüsse auf die Lebensdauer ziehen zu können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie automatisierte Reinigung erfolgt durch Eindüsen einer geringen Wassermenge auf der heißen Fluidseite des Rekuperators. Die Eindüsparameter wie Eindüsdauer, Düsenposition, eingedüste Wassermenge und Zeitintervall sollen in einem ersten Projektabschnitt experimentell untersucht werden. Dieser Projektabschnitt liefert auch Informationen zur Abkühlgeschwindigkeit der Bauteile des Wärmeübertragers. Diese Informationen dienen für den nächsten berechnungsbasierten Projektabschnitt der Verifikation. Es wird ein zeitabhängiges Strömungsmodell erstellt, welches für verschiedene Zeitpunkte im Eindüsprozess das Temperaturfeld des Wärmeübertragers bestimmen lässt. Die zeitabhängigen Temperaturfelder werden als Belastungsgröße auf ein strukturmechanisches Berechnungsmodell aufgebracht. Lokale Materialbeanspruchungen werden ermittelt. Parallel erfolgt eine Verifikation der Spannungsberechnung durch Dehnungsmessung an einem Wärmeübertrager im Feld. Vorliegende zeitliche Spannungsverläufe werden in zulässige Zyklenzahlen umgerechnet, was direkt als Lebensdaueraussage interpretiert werden kann.


Ergebnisse und Diskussion

Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Vorhersage der Lebensdauer von Wärmeübertragern. Die Frage nach der Lebensdauer ist dann relevant, wenn die Komponente wechselnder Beanspruchung unterliegt. Dies ist beim Wärmetauscher durch An- und Abfahren, durch Bypassbetrieb oder durch In-Situ Reinigung der Fall. Ein besonders harter Lastfall ist hierbei die In-Situ Reinigung mit Wasser, da schnelle Temperaturänderungen der Bauteile zu erwarten sind. Derartige Beanspruchungen werden als Temperaturschocks hinsichtlich deren Einfluss auf die Lebensdauer untersucht.
Die tatsächlichen instationären Temperaturverläufe der hochbelasteten Bauteile vor, während und unmittelbar nach der Wassereindüsung werden an einem Laborprüfstand experimentell bestimmt. Es zeigen sich unerwartete aber plausible Phänomene wie zum Beispiel die kurzzeitige unerwartete Temperaturerhöhung durch die Druckluftspülung der Eindüslanzen und typische Zeiträume der Temperaturabsenkung und der Wiederanstiegs der Temperatur. Bei dem hier behandelten Fall kann die Temperatur lokal während der Druckluftspülung in 10 Sekunden, um 30 K ansteigen um in den darauffolgenden 20 Sekunden von diesem höheren Temperaturniveau um 105 K abzufallen. Die nachfolgende Wiedererwärmung erfolgt in ca. 20 Sekunden auf das niedrigere ursprüngliche Temperaturniveau.
Die inneren Spannungen der Rohrplatte während der schnellen Temperaturänderung steigen mit wachsender Plattendicke an.
Mit den experimentellen Ergebnissen können nun ausreichend harte Annahmen für die Modellrechnungen zur Lebensdauerabschätzung getroffen werden. Hierfür wird auf Grundlage von instationären numerischen Berechnungsmodellen die Strömung auf beiden Fluidseiten und damit die Temperaturverteilung der Bauteile errechnet. Da das Temperaturfeld bei einzügigen Rohrbündelwärmeübertragern die einzige wesentliche Beanspruchung darstellt, ist damit die grundlegende Randbedingung zur Vorhersage der Lebensdauer gegeben. Die für diverse Zeitpunkte bekannte Temperaturverteilung wird verwendet, um die zeitlichen Verläufe der lokalen Dehnungen und Spannungen zu berechnen. Die strukturmechanischen Berechnungsergebnisse werden dabei mit Hilfe von Dehnungsmessungen an einem Wärmeübertrager im Feld verifiziert.
Aufgrund der komplexen Zusammenhänge zwischen Umströmung, Temperaturfeld, Geometrie und Materialverhalten ist eine allgemeingültige Aussage zu einer kritischen Stelle im Rohrbündelwärmeübertrager schwierig. Die Bereiche, die die kritische Stelle beinhalten können, sind aus vorangegangenen Messungen und Berechnungen bekannt. Aus zwölf bewerteten Punkten dieser Bereiche wurde derjenige mit der höchsten Spannungsschwingbreite zum Maßstab.
Für den numerisch untersuchten Belastungszyklus des An- und Abfahrens ergibt sich eine zulässige Zyklenzahl von N = 3,5 106 Stück, was als dauerfest und gewertet werden kann. Damit ist nun bekannt, dass die Zahl der An- und Abfahrvorgänge die Lebensdauer nicht einschränkt.

Für den Worst Case Lastfall, der einem übertrieben harten instationären Fall entspricht, ergibt sich für die gewählte Konstruktion eine zulässige Lastspielzahl von N = 1500.
Dieser Wert kann durch konstruktive Maßnahmen am Apparat (Rohrplattendicke, Hüllkreisdurchmesser oder Maßnahmen, die auf die Temperaturänderungsgeschwindigkeit abzielen) erhöht werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Innerhalb des Projektzeitraumes sowie im Jahre 2011 werden jeweils drei Kundentagungen von Aprovis Energy Systems GmbH durchgeführt. Eine der Präsentationen beinhaltet die Ergebnisse des DBU geförderten Projektes hinsichtlich der Vorausberechnung der Lebensdauer von Wärmeübertragern. Die Un-terlagen, die an die Kunden ausgegeben werden, beinhalten ebenfalls Teile dieser Ergebnisse.


Fazit

Numerische Methoden sind gut geeignet, sehr früh im Entwicklungsprozess phyiskalische Zusammenhänge schnell und kostengünstig zu untersuchen. Wichtige Designentscheidungen können getroffen werden, lange bevor erste Teile gefertigt werden. Allerdings sind auch numerische Methoden zu aufwändig um sie tagtäglich in den Konstruktionsprozess jedes einzelnen Apparates einzubinden. Daher wäre eine Übertragung der Erkenntnisse in allgemeine Konstruktionsgrundsätze erforderlich, wofür die Datenbasis zurzeit noch zu klein ist.
Die Wassereindüsung kann nun vermehrt in der Praxis eingesetzt werden, somit die Anlageneffizienz auf hohem Niveau gehalten werden und so direkt CO2-einsparend wirken. Der breitere Einsatz von in-Situ-Wassereindüsungen wird erst durch die hier vorliegenden Erkenntnisse möglich.