Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Systembedingte Verschmutzung von W\u00e4rme\u00fcbertragern kann den W\u00e4rmedurchgang und somit den Wirkungskrad einer Kraft-W\u00e4rme-Kopplungsanlage in kurzer Zeit verschlechtern. Automatisierte Reinigung ist eine M\u00f6glichkeit diesem Prozess nachhaltig entgegenzuwirken. Ein mit der automatisierten Reinigung verbundenes Risiko ist eine erh\u00f6hte Materialbeanspruchung, die sich lebensdauerverk\u00fcrzend auswirken kann. Das angestrebte Vorhaben soll eine Berechnungsmethode erarbeiten, um die hergerufenen Spannungen in ausreichender Genauigkeit vorhersagen und somit R\u00fcckschl\u00fcsse auf die Lebensdauer ziehen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie automatisierte Reinigung erfolgt durch Eind\u00fcsen einer geringen Wassermenge auf der hei\u00dfen Fluidseite des Rekuperators. Die Eind\u00fcsparameter wie Eind\u00fcsdauer, D\u00fcsenposition, einged\u00fcste Wassermenge und Zeitintervall sollen in einem ersten Projektabschnitt experimentell untersucht werden. Dieser Projektabschnitt liefert auch Informationen zur Abk\u00fchlgeschwindigkeit der Bauteile des W\u00e4rme\u00fcbertragers. Diese Informationen dienen f\u00fcr den n\u00e4chsten berechnungsbasierten Projektabschnitt der Verifikation. Es wird ein zeitabh\u00e4ngiges Str\u00f6mungsmodell erstellt, welches f\u00fcr verschiedene Zeitpunkte im Eind\u00fcsprozess das Temperaturfeld des W\u00e4rme\u00fcbertragers bestimmen l\u00e4sst. Die zeitabh\u00e4ngigen Temperaturfelder werden als Belastungsgr\u00f6\u00dfe auf ein strukturmechanisches Berechnungsmodell aufgebracht. Lokale Materialbeanspruchungen werden ermittelt. Parallel erfolgt eine Verifikation der Spannungsberechnung durch Dehnungsmessung an einem W\u00e4rme\u00fcbertrager im Feld. Vorliegende zeitliche Spannungsverl\u00e4ufe werden in zul\u00e4ssige Zyklenzahlen umgerechnet, was direkt als Lebensdaueraussage interpretiert werden kann.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Vorhersage der Lebensdauer von W\u00e4rme\u00fcbertragern. Die Frage nach der Lebensdauer ist dann relevant, wenn die Komponente wechselnder Beanspruchung unterliegt. Dies ist beim W\u00e4rmetauscher 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 Temperatur\u00e4nderungen der Bauteile zu erwarten sind. Derartige Beanspruchungen werden als Temperaturschocks hinsichtlich deren Einfluss auf die Lebensdauer untersucht.
\nDie tats\u00e4chlichen instation\u00e4ren Temperaturverl\u00e4ufe der hochbelasteten Bauteile vor, w\u00e4hrend und unmittelbar nach der Wassereind\u00fcsung werden an einem Laborpr\u00fcfstand experimentell bestimmt. Es zeigen sich unerwartete aber plausible Ph\u00e4nomene wie zum Beispiel die kurzzeitige unerwartete Temperaturerh\u00f6hung durch die Druckluftsp\u00fclung der Eind\u00fcslanzen und typische Zeitr\u00e4ume der Temperaturabsenkung und der Wiederanstiegs der Temperatur. Bei dem hier behandelten Fall kann die Temperatur lokal w\u00e4hrend der Druckluftsp\u00fclung in 10 Sekunden, um 30 K ansteigen um in den darauffolgenden 20 Sekunden von diesem h\u00f6heren Temperaturniveau um 105 K abzufallen. Die nachfolgende Wiedererw\u00e4rmung erfolgt in ca. 20 Sekunden auf das niedrigere urspr\u00fcngliche Temperaturniveau.
\nDie inneren Spannungen der Rohrplatte w\u00e4hrend der schnellen Temperatur\u00e4nderung steigen mit wachsender Plattendicke an.
\nMit den experimentellen Ergebnissen k\u00f6nnen nun ausreichend harte Annahmen f\u00fcr die Modellrechnungen zur Lebensdauerabsch\u00e4tzung getroffen werden. Hierf\u00fcr wird auf Grundlage von instation\u00e4ren numerischen Berechnungsmodellen die Str\u00f6mung auf beiden Fluidseiten und damit die Temperaturverteilung der Bauteile errechnet. Da das Temperaturfeld bei einz\u00fcgigen Rohrb\u00fcndelw\u00e4rme\u00fcbertragern die einzige wesentliche Beanspruchung darstellt, ist damit die grundlegende Randbedingung zur Vorhersage der Lebensdauer gegeben. Die f\u00fcr diverse Zeitpunkte bekannte Temperaturverteilung wird verwendet, um die zeitlichen Verl\u00e4ufe der lokalen Dehnungen und Spannungen zu berechnen. Die strukturmechanischen Berechnungsergebnisse werden dabei mit Hilfe von Dehnungsmessungen an einem W\u00e4rme\u00fcbertrager im Feld verifiziert.
\nAufgrund der komplexen Zusammenh\u00e4nge zwischen Umstr\u00f6mung, Temperaturfeld, Geometrie und Materialverhalten ist eine allgemeing\u00fcltige Aussage zu einer kritischen Stelle im Rohrb\u00fcndelw\u00e4rme\u00fcbertrager schwierig. Die Bereiche, die die kritische Stelle beinhalten k\u00f6nnen, sind aus vorangegangenen Messungen und Berechnungen bekannt. Aus zw\u00f6lf bewerteten Punkten dieser Bereiche wurde derjenige mit der h\u00f6chsten Spannungsschwingbreite zum Ma\u00dfstab.
\nF\u00fcr den numerisch untersuchten Belastungszyklus des An- und Abfahrens ergibt sich eine zul\u00e4ssige Zyklenzahl von N = 3,5 106 St\u00fcck, was als dauerfest und gewertet werden kann. Damit ist nun bekannt, dass die Zahl der An- und Abfahrvorg\u00e4nge die Lebensdauer nicht einschr\u00e4nkt.<\/p>\n
F\u00fcr den Worst Case Lastfall, der einem \u00fcbertrieben harten instation\u00e4ren Fall entspricht, ergibt sich f\u00fcr die gew\u00e4hlte Konstruktion eine zul\u00e4ssige Lastspielzahl von N = 1500.
\nDieser Wert kann durch konstruktive Ma\u00dfnahmen am Apparat (Rohrplattendicke, H\u00fcllkreisdurchmesser oder Ma\u00dfnahmen, die auf die Temperatur\u00e4nderungsgeschwindigkeit abzielen) erh\u00f6ht werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Innerhalb des Projektzeitraumes sowie im Jahre 2011 werden jeweils drei Kundentagungen von Aprovis Energy Systems GmbH durchgef\u00fchrt. Eine der Pr\u00e4sentationen beinhaltet die Ergebnisse des DBU gef\u00f6rderten Projektes hinsichtlich der Vorausberechnung der Lebensdauer von W\u00e4rme\u00fcbertragern. Die Un-terlagen, die an die Kunden ausgegeben werden, beinhalten ebenfalls Teile dieser Ergebnisse.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Numerische Methoden sind gut geeignet, sehr fr\u00fch im Entwicklungsprozess phyiskalische Zusammenh\u00e4nge schnell und kosteng\u00fcnstig zu untersuchen. Wichtige Designentscheidungen k\u00f6nnen getroffen werden, lange bevor erste Teile gefertigt werden. Allerdings sind auch numerische Methoden zu aufw\u00e4ndig um sie tagt\u00e4glich in den Konstruktionsprozess jedes einzelnen Apparates einzubinden. Daher w\u00e4re eine \u00dcbertragung der Erkenntnisse in allgemeine Konstruktionsgrunds\u00e4tze erforderlich, wof\u00fcr die Datenbasis zurzeit noch zu klein ist.
\nDie Wassereind\u00fcsung 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-Wassereind\u00fcsungen wird erst durch die hier vorliegenden Erkenntnisse m\u00f6glich.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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