Projekt 22490/01

Analyse und Simulation der Temperaturverteilung in Rohrbündelwärmeübertragern für Biogas Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen

Projektdurchführung

Aprovis Energy Systems GmbH
Ornbauer Str. 10
91746 Weidenbach

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Rohrbündelwärmeübertrager unterliegen hohen Belastungen, die sich aus der Bauart und den Bauteiltemperaturen ergeben. Risse an einem Bauteil eines solchen Wärmeübertragers führen stets zum Austausch der gesamten Komponente und somit zu erheblichem wirtschaftlichen Schaden. Mit Hilfe einer Parameterstudie werden systematisch verschiedene Einflussparameter variiert, um deren Einfluss auf die Temperaturverteilung und die damit zusammenhängende Spannungsverteilung zu ermitteln.
Ausgesuchte Einflussgrößen sind:
- Einlassstutzendurchmesser (strömungsrelevant),
- Abstand des Stutzens von der Rohrplatte (strömungsrelevant),
- Rohrplattendicke (strukturrelevant),
- Geometrie der Eintrittshaube (strömungsrelevant),
- Leitbleche im Mantelraum (strömungsrelevant),
u. U. ergeben sich im Laufe der Projekts aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse weitere bzw. andere wichtige Parameter.
Eine angestrebte Vergleichmäßigung der Wärmestromdichte wird hierbei die Effektivität der Anlagen erhöhen und somit einen Beitrag zur Ressourcenschonung leisten


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Analyse und Optimierung wird mit Hilfe numerischer Methoden durchgeführt. Es werden Berechnungsmodelle erstellt, die eine Bauart von Rohrbündelwärmeübertragern repräsentieren. Hierbei werden die Lasten der strukturmechanischen Analyse der Bauteile schrittweise mit Hilfe von thermofluiddynamischen Berechnungen verbessert. Für experimentelle Analysen liegt ein Teststand mit einem Wärmeübertrager vor. Zur weiterführenden Verifikation der numerischen Ergebnisse wird ein Rohrbündelwärmeübertrager in einer häufig vorkommenden Dimensionierung im Feld mit Temperaturmesstechnik versehen.
Die Variation der Parameter erfolgt rein auf numerischem Wege. So sind innerhalb des Projektzeitraumes mehr Parameter und deren Wirkung auf Wärmestrom und Spannungen zu untersuchen, als das auf experimentellem Wege möglich wäre.


Ergebnisse und Diskussion

Entsprechend dem Vorhaben wurde schrittweise ein strukturmechanisches Modell eines typischen Wärmeübertragers aufgestellt und mit thermischen Lasten aus mehreren Strömungssimulationsrechnungen beaufschlagt. Die Temperaturen der Bauteile wurden zunächst analytisch auf Basis der Auslegungsricht-linie im VDI Wärmeatlas erarbeitet und anschließend durch verbesserte Modelle unter Berücksichtigung des Turbulenzgrades berechnet. Die Modelle wurden durch Feldversuche validiert.
Mit den validierten Modellen wurde eine Parameterstudie durchgeführt um die Wanddickenkombination für minimale Materialbeanspruchung im stationären Betrieb zu finden. Niedrigste Materialbeanspruchung verbunden mit minimiertem Schädigungspotential bei stationärem Betrieb liegt vor, wenn die Wanddicke der Rohrplatte doppelt so groß gewählt wird wie die Wanddicke des Mantels. Große Änderungen in den Hauptabmessungen des Wärmeübertragers - wie Rohrbündellänge oder Manteldurchmesser -, d. h. große Leistungsänderungen können zu Verschiebungen dieses Verhältnisses führen.
Die Hauptparameter wie Länge, Durchmesser und Materialeinsatz und damit die Gesamtkosten hängen von dem maximal zulässigen Druckverlust des Abgasstroms aus der Verbrennungskraftmaschine ab. Eine Reduzierung des Strömungswiderstandes bis auf einen Gesamtdruckabfall von < 15 mbar bei gleichem übertragenen Wärmestrom ist vorrangiges Ziel bei der Auslegung. Die Ein- und Austrittskammern erhöhen den unerwünschten Druckverlust. Der Eintrittskammer kommt hierbei besondere Bedeutung zu, da dort infolge des noch heißen Gases der Volumenstrom groß ist und darüber hinaus dort die Gleichmäßigkeit der Gasverteilung auf die Rohre des Rohrbündels beeinflusst wird. Bei der untersuchten Leistungsklasse um 180 kW mit einem Manteldurchmesser von 250 mm ergab sich als optimierter Abstand des radialen Eintrittsstutzenrands zum Bündel ein Wert von 300 mm. So reduziert sich der Druckabfall ab einer Kammerlänge von 300 mm um 25 % annähernd sprunghaft. Eine weitere Verlängerung der Eintrittskammer hat kaum Einfluss. Das spricht dafür, dass der Stutzenabstand den Kammerdurchmesser übersteigen sollte, um keinen zusätzlichen Druckverlust zu bewirken.
Lebensdauereinschränkend bleiben trotz der verbesserten Auslegung im stationären Fall Lastwechsel bei häufigen Starts- und Stops, schwankendem Brennstoffangebot oder bedarfsabhängiger Wärmeabnahme. Bedarfsorientierte Wärmeabnahme wird dabei meist durch einen Bypass um den Wärmeübertrager realisiert. Der Abgasmassenstrom im Wärmeübertrager wird durch Regelklappen mit einem Regelbereich von 1:4 verändert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Eine Veröffentlichung in der Fachzeitschrift BWK ist vorgesehen. Das Manuskript wird zurzeit fertig gestellt. Eine Präsentation der Ergebnisse erfolgt zunächst im Hause der DBU in Osnabrück.


Fazit

Auf der Basis der vorhandenen Ergebnisse aus der abgeschlossenen stationären Untersuchung liegen nun für die typischen Temperatur und Leistungsklassen der KWK im Biogasbereich spezielle Auslegungsregeln für die Rohrplatte und Eintrittskammer vor. Bein Einhaltung dieser Regeln sind die Haupt-abmessungen so wählbar, dass Herstellkosten minimiert und die Beanspruchung der hochbelasteten Rohrplatte reduziert ist. Unklar bleibt im Gegensatz zu dem klassischen KWK Betrieb mit sauberem Erd-gas im stationären Fall die Auswirkung von häufigen Lastwechseln im Biogasbereich.
Die Anwendung dieser Werkzeuge bei der Auslegung von Abgaswärmeübertragern führt bei der Aprovis GmbH zu Vorteilen, da
- die Zeitstandfestigkeit deutlich gesteigert werden kann,
- in ihrer Dicke optimierte Rohrplatten geringere Material und Fertigungskosten aufweisen und so die Herstellkosten sinken.

Für Betreiber von wärmetechnischen Anlagen und ökologisch ergeben sich folgende Vorteile:
- die erhöhte Betriebssicherheit reduziert die Ausfallzeiten und steigern somit den Jahresgesamtwirkungsgrad,
- der zeitliche Abstand zwischen teuren Reparaturmaßnahmen erhöht sich,
- Ressourcen werden durch längere Lebensdauer geschont, ohne den Nachteil einer gleichzeitigen Wirkungsgradverschlechterung.