Für die vorläufige Layoutplanung einer Pilotanlage wird der Platzbedarf des Wärmeübertragers als seine insgesamt installierte Länge multipliziert mit seiner maximal installierten Breite berechnet; anschließend werden die erforderlichen Zugangs- und Wartungsabstände hinzuaddiert. Die Abmessungen des Wärmeübertragers ergeben sich aus der erforderlichen Wärmeübertragungsfläche, der Rohranzahl, dem Manteldurchmesser, der Rohrlänge, den Böden, den Auflagern und den Stutzen. Bei einer einfachen horizontalen Anordnung entspricht der reine Ausrüstungsgrundriss ungefähr dem Außendurchmesser des Mantels einschließlich der Auflager, multipliziert mit der Gesamtlänge von Ende zu Ende.
Der Platzbedarf wird nicht allein anhand der Rohrlänge bestimmt. Legen Sie zunächst das thermische Rohrbündel aus, leiten Sie daraus den Manteldurchmesser ab, bestimmen Sie die vollständigen Abmessungen der Ausrüstung und reservieren Sie anschließend zusätzlichen Raum für Betrieb, Inspektion, Ausbau des Rohrbündels, Rohrleitungen und Wartung.
Mit der erforderlichen Wärmeübertragungsfläche beginnen
Die thermische Auslegungsfläche bestimmen
Die erforderliche Wärmeübertragungsfläche (A erforderlich) ergibt sich aus der Prozessleistung und dem ausgewählten Gesamtwärmeübergangskoeffizienten:
[ A_{\text{required}} = \frac{Q}{U F \Delta T_{\text{lm}}} ]
Dabei ist (Q) die Wärmeleistung, (U) der Gesamtwärmeübergangskoeffizient, (F) ein etwaiger Korrekturfaktor für die Temperaturdifferenzmethode und (\Delta T_{\text{lm}}) die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz.
Bei Layoutarbeiten ist die festgelegte Auslegungsreserve vor der Berechnung der Rohranzahl zu berücksichtigen. Die Reserve sollte auf der projektspezifischen Auslegungsgrundlage beruhen und nicht pauschal angenommen werden, da eine übermäßige Fläche die Größe, das Gewicht und die Kosten der Ausrüstung erhöhen kann.
Die Anzahl der Rohre berechnen
Die effektive äußere Wärmeübertragungsfläche eines Rohres beträgt ungefähr:
[ A_{\text{tube}} = \pi d_o L_{\text{active}} ]
Daher gilt:
[ N_t = \frac{A_{\text{required}}} {\pi d_o L_{\text{active}}} ]
Dabei ist (d_o) der Außendurchmesser des Rohres und (L_{\text{active}}) die effektive Rohrlänge.
Das Ergebnis muss auf eine praktikable Rohranzahl aufgerundet werden. Die gewählte Anzahl hängt außerdem von der Anzahl der Rohrpässe, der Rohrbodenanordnung, dem zulässigen Druckverlust, der Strömungsgeschwindigkeit und der standardisierten Bündelgeometrie des Herstellers ab.
Die Rohranzahl in den Manteldurchmesser umrechnen
Die Rohranordnung auswählen
Die Rohranordnung beeinflusst sowohl den Manteldurchmesser als auch die Wartungsfreundlichkeit des Wärmeübertragers.
- Dreiecksteilung führt im Allgemeinen zu einem kompakten Bündel und einer hohen Oberflächenflächendichte.
- Quadratische Teilung ermöglicht einen besseren Zugang zur mechanischen Reinigung zwischen den Rohren.
- Die Rohrteilung wird üblicherweise nahe bei (1.25d_o) gewählt, vorbehaltlich mechanischer, fertigungstechnischer, schwingungstechnischer und reinigungsbezogener Anforderungen.
Übliche vorläufige Rohr-Außendurchmesser liegen ungefähr bei (3/4) Zoll und 1 Zoll. Größere Rohre können für verschmutzte oder hochviskose Medien gewählt werden, bei denen ein guter Reinigungszugang wichtig ist.
Den Bündeldurchmesser abschätzen
Der Rohrbündeldurchmesser (D_b) wird aus der Anzahl der Rohre, dem Rohraußendurchmesser, der Rohrteilung, dem Anordnungsmuster und der Anzahl der Rohrpässe bestimmt. Für die vorläufige Auslegung können Standardkorrelationen für die Bündelanzahl oder Tabellen des Herstellers verwendet werden.
Eine Korrelation stellt die Rohranzahl als Funktion von Folgendem dar:
[ C = \frac{D_b}{d_o} - 36 ]
Für einen Einpass-Wärmeübertrager lautet die Abschätzung beispielsweise:
[ N_t = 1298 + 74.86C + 1.283C^2
- 0.0078C^3 - 0.0006C^4 ]
Für Anordnungen mit zwei, vier und sechs Pässen werden separate Koeffizienten verwendet. Diese Korrelationen eignen sich für vorläufige Abschätzungen; der endgültige Manteldurchmesser sollte jedoch aus einer detaillierten mechanischen Auslegung oder einer Herstellerzeichnung hervorgehen.
Abstände für Mantel und Konstruktion berücksichtigen
Der Innendurchmesser des Mantels muss größer sein als der Durchmesser des Rohrbündels. Der Außendurchmesser des Mantels ist aufgrund der Wanddicke, der Isolierung, der Verkleidung, äußerer Anbauteile und Fertigungstoleranzen nochmals größer.
Für ein vorläufiges Layout gilt:
[ D_{\text{shell,OD}} \approx D_b + 2(\text{Abstand zwischen Bündel und Mantel})
- 2(\text{Mantelwanddicke}) ]
Dieser Ausdruck ist lediglich eine Layout-Näherung. Der tatsächliche Manteldurchmesser muss Leitbleche, Zugstangen, die Konstruktion der Rohrböden, Trennplatten der Passagen, unterschiedliche Wärmedehnung und die geltenden Regeln für die mechanische Auslegung berücksichtigen.
Die Gesamtlänge der Ausrüstung bestimmen
Die aktive Rohrlänge einbeziehen
Die aktive Rohrlänge ist der Abschnitt, der zur Wärmeübertragung beiträgt. Standardrohrlängen des Wärmeübertragers können zunächst verwendet werden; in Pilotanlagen gelten jedoch häufig Einschränkungen aufgrund des verfügbaren Platzes, des Transports, des Zugangs und der modularen Bauweise.
Die Mantellänge ist nicht unbedingt identisch mit der Rohrlänge. Rohrböden, Kanalböden, Deckel, Kompensatoren, Leitblechabstände und hervorstehende Stutzen können die Abmessung von Ende zu Ende vergrößern.
Böden und Endabstände hinzufügen
Ein praktikabler vorläufiger Ausdruck lautet:
[ L_{\text{overall}} = L_{\text{active}}
- L_{\text{front head}}
- L_{\text{rear head}}
- L_{\text{nozzle and cover projections}} ]
Wenn nur eine einfache Schätzung verfügbar ist, können Zuschläge für die Böden als Endabstände dargestellt werden, die zur aktiven Rohrlänge addiert werden. Für ein tatsächliches Layout sollte die Gesamtabmessung des Wärmeübertragers aus einer vorläufigen Ausrüstungszeichnung verwendet werden, anstatt sich auf einen allgemeinen Zuschlag zu verlassen.
Die Ausrichtung ist relevant. Ein horizontaler Wärmeübertrager weist normalerweise einen langen rechteckigen Grundriss auf, während ein vertikaler Wärmeübertrager möglicherweise weniger Bodenfläche benötigt, jedoch mehr vertikalen Freiraum und einen größeren Wartungsbereich erfordert.
Den reinen Ausrüstungsgrundriss berechnen
Die maximalen installierten Abmessungen verwenden
Für einen horizontalen Wärmeübertrager kann die grundlegende Umhüllung der Ausrüstung wie folgt abgeschätzt werden:
[ A_{\text{equipment}} = L_{\text{overall}} \times W_{\text{installed}} ]
Dabei ist (W_{\text{installed}}) die maximale horizontale Breite, die nicht unbedingt dem reinen Manteldurchmesser entspricht.
Eine erste Näherung lautet:
[ W_{\text{installed}} = D_{\text{shell,OD}}
- 2(\text{Vorsprung der Auflager oder Sättel}) ]
Berücksichtigen Sie den größten Wert aus Manteldurchmesser, Sattelbreite, Breite des Kanalbodens, Flanschvorsprung oder einem anderen dauerhaft vorhandenen äußeren Bauteil.
Layout- und Wartungsbereiche hinzufügen
Die auf dem Boden reservierte Fläche sollte größer sein als die Stahlumhüllung der Ausrüstung:
[ A_{\text{allocated}} = (L_{\text{overall}} + 2C_L) (W_{\text{installed}} + 2C_W) ]
Dabei sind (C_L) und (C_W) projektspezifische Abstände für Zugang, Inspektion, Armaturen, Isolierung, Rohrleitungen und Wartung.
Diese Abstände sind keine universellen Konstanten. Sie sollten durch den Layoutstandard der Anlage, den Ausrüstungslieferanten, die Wartungsmethode und den erforderlichen Ausbauweg des Rohrbündels festgelegt werden.
Eine praktische vorläufige Berechnung
Beispiel für die Auslegungsgrundlage
Angenommen, eine vorläufige Auslegung ergibt:
- Aktive Rohrlänge: (8) ft
- Rohrbündeldurchmesser: (18) in
- Außendurchmesser des Mantels: (20) in
- Gesamtlänge des Wärmeübertragers nach Hinzufügen von Böden und Vorsprüngen: (10) ft
- Vorsprung der Auflager über den Mantel hinaus: insgesamt (4) in
- Layoutabstand: (2) ft an jedem Ende und (2) ft auf jeder Seite
Die installierte Breite beträgt ungefähr:
[ W_{\text{installed}} = 20\text{ in} + 4\text{ in} = 24\text{ in} = 2\text{ ft} ]
Der reine Ausrüstungsgrundriss beträgt daher:
[ A_{\text{equipment}} = 10\text{ ft} \times 2\text{ ft} = 20\text{ ft}^2 ]
Die vorläufig zu reservierende Bodenfläche beträgt:
[ A_{\text{allocated}} = (10 + 2 + 2)(2 + 2 + 2) = 14 \times 6 = 84\text{ ft}^2 ]
Der Wert von (20\text{ ft}^2) beschreibt die physische Umhüllung der Ausrüstung. Der Wert von (84\text{ ft}^2) ist eine realistischere Planungsreserve für ein horizontales Aggregat mit den angegebenen Zugangsbereichen.
Merkmale berücksichtigen, die den Platzbedarf verändern
Auflager und äußere Vorsprünge einbeziehen
Sättel, Füße, Grundrahmen, Isolierung, Hebeösen, Kanaldeckel, Flansche und Stutzen können die tatsächlichen Grundrissabmessungen bestimmen. Der größte dauerhaft vorhandene Vorsprung sollte die für das Layout verwendete Breite und Länge bestimmen.
Raum für den Ausbau des Rohrbündels reservieren
Ein ausbaubares Rohrbündel kann einen geradlinigen Ausbauweg über ein Ende des Wärmeübertragers hinaus erfordern. Dieser Weg kann deutlich länger als der Freiraum am Wärmeübertragerboden sein und muss möglicherweise frei von anderen Ausrüstungen oder dauerhaft verlegten Rohrleitungen bleiben.
Dieser Wartungsbereich ist Teil der funktionalen Flächenzuweisung der Pilotanlage, obwohl er nicht zum Stahlgrundriss des Wärmeübertragers gehört.
Rohrleitungen und Bedienerzugang berücksichtigen
Die Ausrichtung der Stutzen und die Rohrleitungsführung können einen größeren Platzbedarf als der Behälter selbst verursachen. Lassen Sie Raum für Absperrarmaturen, Messgeräte, Abläufe, Entlüftungen, Isolierung und einen Bedienerzugang.
Die Zielkonflikte verstehen
Kürzere Wärmeübertrager können größere Durchmesser erfordern
Wenn die Rohrlänge bei gleichbleibender Leistung verkürzt wird, werden mehr Rohre benötigt:
[ N_t \propto \frac{1}{L_{\text{active}}} ]
Das resultierende Bündel und der Mantel können einen größeren Durchmesser erhalten. Zusätzliche Rohrpässe oder Leitbleche können ebenfalls eingesetzt werden, um die Geschwindigkeit und die Wärmeübertragungsleistung aufrechtzuerhalten; diese Änderungen können jedoch den Druckverlust, das Gewicht und die Kosten erhöhen.
Kompaktheit kann die Reinigbarkeit verringern
Eine Dreiecksteilung führt häufig zu einem kleineren Manteldurchmesser und einer höheren Flächendichte. Sie ist jedoch weniger geeignet, wenn die rohrseitigen Mantelflächen eine externe mechanische Reinigung erfordern.
Eine quadratische Teilung kann den Durchmesser des Wärmeübertragers erhöhen, aber einen praktischeren Wartungszugang ermöglichen.
Die thermische Größe bestimmt nicht den gesamten Platzbedarf
Ein kleiner Manteldurchmesser garantiert keine kleine Installation. Böden, Stutzen, Auflager, Zugänge für Elektrik oder Mess- und Regeltechnik, Rohrleitungen, Isolierung und der Ausbau des Rohrbündels können die zu reservierende Fläche bestimmen.
Vorläufige Korrelationen haben Grenzen
Korrelationen für die Rohranzahl liefern nützliche frühe Abschätzungen, ersetzen jedoch keine Umrisszeichnung des Lieferanten oder eine mechanische Auslegung. Das endgültige Layout sollte auf bestätigten Abmessungen, Wegen für ausbaubare Komponenten, Auflagerlasten und den geltenden Standards für Druckbehälter und Wärmeübertrager basieren.
Die richtige Entscheidung für Ihr Ziel treffen
Verwenden Sie die thermische Auslegung, um die Abmessungen des Wärmeübertragers festzulegen, und anschließend die mechanischen und wartungstechnischen Anforderungen, um den tatsächlichen Flächenbedarf der Pilotanlage zu bestimmen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem vorläufigen Prozesslayout liegt: Multiplizieren Sie die insgesamt installierte Länge mit der maximal installierten Breite und addieren Sie anschließend konservative Abstände für Zugang und Rohrleitungen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Beschaffung der Ausrüstung liegt: Geben Sie die erforderliche Fläche, den Rohrdurchmesser, die Rohrlänge, die Anordnung, die Passkonfiguration und die zulässigen Druckverluste vor und fordern Sie anschließend die Umriss- und Wartungsabmessungen des Lieferanten an.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer kompakten Pilotanlage liegt: Prüfen Sie kürzere Rohrlängen und zusätzliche Pässe sorgfältig, da eine verkürzte Länge den Manteldurchmesser, den Druckverlust, das Gewicht und die Kosten erhöhen kann.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Wartungsfreundlichkeit liegt: Reservieren Sie den vollständigen Ausbauweg des Rohrbündels und wählen Sie eine Rohranordnung, die mit der vorgesehenen Reinigungsmethode kompatibel ist.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der endgültigen Anlagenplanung liegt: Verwenden Sie die maximalen dauerhaften Abmessungen des Wärmeübertragers, die Ausrichtung der Stutzen, die Geometrie der Auflager, die Isolierung, die Rohrleitungen und die Wartungsumhüllung anstelle der reinen Mantelabmessungen.
Eine zuverlässige Abschätzung des Platzbedarfs kombiniert die thermische Auslegung, die mechanischen Abmessungen der Ausrüstungsumhüllung und den für einen sicheren Betrieb und eine sichere Wartung des Wärmeübertragers erforderlichen Freiraum.
Zusammenfassungstabelle:
| Planungsschritt | Was zu berechnen oder einzubeziehen ist | Warum es wichtig ist |
|---|---|---|
| Thermische Auslegung | Wärmeleistung, Gesamtwärmeübergangskoeffizient, LMTD, Auslegungsreserve und erforderliche Fläche | Bestimmt die Größe des Wärmeübertragers |
| Rohrbündel | Rohranzahl, Durchmesser, Länge, Teilung, Anordnung und Pässe | Bestimmt den Bündeldurchmesser und die Mantelgröße |
| Umhüllung der Ausrüstung | Mantel-AD, Böden, Auflager, Stutzen, Flansche, Isolierung und Vorsprünge | Definiert die installierte Länge und Breite |
| Ausrüstungsgrundriss | Insgesamt installierte Länge x maximal installierte Breite | Stellt die physische Ausrüstungsfläche dar |
| Zugewiesene Bodenfläche | Umhüllung der Ausrüstung zuzüglich Abständen für Zugang, Rohrleitungen, Betrieb und Inspektion | Unterstützt einen sicheren Betrieb und die Layoutplanung |
| Wartungsbereich | Ausbauweg des Rohrbündels und unbehinderter Servicebereich | Gewährleistet den Zugang für Inspektion und Wartung |
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