Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Rohrb\u00fcndelw\u00e4rme\u00fcbertrager unterliegen hohen Belastungen, die sich aus der Bauart und den Bauteiltemperaturen ergeben. Risse an einem Bauteil eines solchen W\u00e4rme\u00fcbertragers f\u00fchren 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 zusammenh\u00e4ngende Spannungsverteilung zu ermitteln.
\nAusgesuchte Einflussgr\u00f6\u00dfen sind:
\n–\tEinlassstutzendurchmesser (str\u00f6mungsrelevant),
\n–\tAbstand des Stutzens von der Rohrplatte (str\u00f6mungsrelevant),
\n–\tRohrplattendicke (strukturrelevant),
\n–\tGeometrie der Eintrittshaube (str\u00f6mungsrelevant),
\n–\tLeitbleche im Mantelraum (str\u00f6mungsrelevant),
\nu. U. ergeben sich im Laufe der Projekts aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse weitere bzw. andere wichtige Parameter.
\nEine angestrebte Vergleichm\u00e4\u00dfigung der W\u00e4rmestromdichte wird hierbei die Effektivit\u00e4t der Anlagen erh\u00f6hen und somit einen Beitrag zur Ressourcenschonung leisten<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Analyse und Optimierung wird mit Hilfe numerischer Methoden durchgef\u00fchrt. Es werden Berechnungsmodelle erstellt, die eine Bauart von Rohrb\u00fcndelw\u00e4rme\u00fcbertragern repr\u00e4sentieren. Hierbei werden die Lasten der strukturmechanischen Analyse der Bauteile schrittweise mit Hilfe von thermofluiddynamischen Berechnungen verbessert. F\u00fcr experimentelle Analysen liegt ein Teststand mit einem W\u00e4rme\u00fcbertrager vor. Zur weiterf\u00fchrenden Verifikation der numerischen Ergebnisse wird ein Rohrb\u00fcndelw\u00e4rme\u00fcbertrager in einer h\u00e4ufig vorkommenden Dimensionierung im Feld mit Temperaturmesstechnik versehen.
\nDie Variation der Parameter erfolgt rein auf numerischem Wege. So sind innerhalb des Projektzeitraumes mehr Parameter und deren Wirkung auf W\u00e4rmestrom und Spannungen zu untersuchen, als das auf experimentellem Wege m\u00f6glich w\u00e4re.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Entsprechend dem Vorhaben wurde schrittweise ein strukturmechanisches Modell eines typischen W\u00e4rme\u00fcbertragers aufgestellt und mit thermischen Lasten aus mehreren Str\u00f6mungssimulationsrechnungen beaufschlagt. Die Temperaturen der Bauteile wurden zun\u00e4chst analytisch auf Basis der Auslegungsricht-linie im VDI W\u00e4rmeatlas erarbeitet und anschlie\u00dfend durch verbesserte Modelle unter Ber\u00fccksichtigung des Turbulenzgrades berechnet. Die Modelle wurden durch Feldversuche validiert.
\nMit den validierten Modellen wurde eine Parameterstudie durchgef\u00fchrt um die Wanddickenkombination f\u00fcr minimale Materialbeanspruchung im station\u00e4ren Betrieb zu finden. Niedrigste Materialbeanspruchung verbunden mit minimiertem Sch\u00e4digungspotential bei station\u00e4rem Betrieb liegt vor, wenn die Wanddicke der Rohrplatte doppelt so gro\u00df gew\u00e4hlt wird wie die Wanddicke des Mantels. Gro\u00dfe \u00c4nderungen in den Hauptabmessungen des W\u00e4rme\u00fcbertragers – wie Rohrb\u00fcndell\u00e4nge oder Manteldurchmesser -, d. h. gro\u00dfe Leistungs\u00e4nderungen k\u00f6nnen zu Verschiebungen dieses Verh\u00e4ltnisses f\u00fchren.
\nDie Hauptparameter wie L\u00e4nge, Durchmesser und Materialeinsatz und damit die Gesamtkosten h\u00e4ngen von dem maximal zul\u00e4ssigen Druckverlust des Abgasstroms aus der Verbrennungskraftmaschine ab. Eine Reduzierung des Str\u00f6mungswiderstandes bis auf einen Gesamtdruckabfall von < 15 mbar bei gleichem \u00fcbertragenen W\u00e4rmestrom ist vorrangiges Ziel bei der Auslegung. Die Ein- und Austrittskammern erh\u00f6hen den unerw\u00fcnschten Druckverlust. Der Eintrittskammer kommt hierbei besondere Bedeutung zu, da dort infolge des noch hei\u00dfen Gases der Volumenstrom gro\u00df ist und dar\u00fcber hinaus dort die Gleichm\u00e4\u00dfigkeit der Gasverteilung auf die Rohre des Rohrb\u00fcndels beeinflusst wird. Bei der untersuchten Leistungsklasse um 180 kW mit einem Manteldurchmesser von 250 mm ergab sich als optimierter Abstand des radialen Eintrittsstutzenrands zum B\u00fcndel ein Wert von 300 mm. So reduziert sich der Druckabfall ab einer Kammerl\u00e4nge von 300 mm um 25 % ann\u00e4hernd sprunghaft. Eine weitere Verl\u00e4ngerung der Eintrittskammer hat kaum Einfluss. Das spricht daf\u00fcr, dass der Stutzenabstand den Kammerdurchmesser \u00fcbersteigen sollte, um keinen zus\u00e4tzlichen Druckverlust zu bewirken.\nLebensdauereinschr\u00e4nkend bleiben trotz der verbesserten Auslegung im station\u00e4ren Fall Lastwechsel bei h\u00e4ufigen Starts- und Stops, schwankendem Brennstoffangebot oder bedarfsabh\u00e4ngiger W\u00e4rmeabnahme. Bedarfsorientierte W\u00e4rmeabnahme wird dabei meist durch einen Bypass um den W\u00e4rme\u00fcbertrager realisiert. Der Abgasmassenstrom im W\u00e4rme\u00fcbertrager wird durch Regelklappen mit einem Regelbereich von 1:4 ver\u00e4ndert.\n\n\n\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation\n\nEine Ver\u00f6ffentlichung in der Fachzeitschrift BWK ist vorgesehen. Das Manuskript wird zurzeit fertig gestellt. Eine Pr\u00e4sentation der Ergebnisse erfolgt zun\u00e4chst im Hause der DBU in Osnabr\u00fcck.\n\n\nFazit\n\nAuf der Basis der vorhandenen Ergebnisse aus der abgeschlossenen station\u00e4ren Untersuchung liegen nun f\u00fcr die typischen Temperatur und Leistungsklassen der KWK im Biogasbereich spezielle Auslegungsregeln f\u00fcr die Rohrplatte und Eintrittskammer vor. Bein Einhaltung dieser Regeln sind die Haupt-abmessungen so w\u00e4hlbar, 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 station\u00e4ren Fall die Auswirkung von h\u00e4ufigen Lastwechseln im Biogasbereich.\nDie Anwendung dieser Werkzeuge bei der Auslegung von Abgasw\u00e4rme\u00fcbertragern f\u00fchrt bei der Aprovis GmbH zu Vorteilen, da\n-\tdie Zeitstandfestigkeit deutlich gesteigert werden kann,\n-\tin ihrer Dicke optimierte Rohrplatten geringere Material und Fertigungskosten aufweisen und so die Herstellkosten sinken.\n\nF\u00fcr Betreiber von w\u00e4rmetechnischen Anlagen und \u00f6kologisch ergeben sich folgende Vorteile:\n-\tdie erh\u00f6hte Betriebssicherheit reduziert die Ausfallzeiten und steigern somit den Jahresgesamtwirkungsgrad, \n-\tder zeitliche Abstand zwischen teuren Reparaturma\u00dfnahmen erh\u00f6ht sich,\n-\tRessourcen werden durch l\u00e4ngere Lebensdauer geschont, ohne den Nachteil einer gleichzeitigen Wirkungsgradverschlechterung.\n<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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