Was ist ein Wärmetauscher-Rohrboden?

Ein Rohrboden ist eine Platte, ein Blech oder eine Trennwand, die mit einem Lochmuster versehen ist, das zur Aufnahme von Rohren oder Schläuchen dient. Diese Bleche werden zur Unterstützung und Isolierung von Rohren in Wärmetauschern und Kesseln oder zur Unterstützung von Filterelementen verwendet. Je nach Anwendung kann ein Rohrboden aus verschiedenen Metallen oder aus Harzverbundstoffen oder Kunststoff bestehen. Ein Rohrboden kann mit einem Verkleidungsmaterial überzogen sein, das als Korrosionsschutz und Isolator dient, und kann auch mit einer galvanischen Anode ausgestattet sein. Rohrböden können in Wärmetauschanwendungen paarweise oder einzeln zur Unterstützung von Elementen in einem Filter verwendet werden.

Die wohl bekannteste Verwendung von Rohrböden ist die Verwendung als Stützelement in Wärmetauschern und Kesseln. Diese Geräte bestehen aus einer dichten Anordnung dünnwandiger Rohre, die sich in einer geschlossenen, röhrenförmigen Hülle befinden. Die Rohre werden an beiden Enden durch Böden gestützt, die in einem vorgegebenen Muster durchbohrt sind, damit die Rohrenden durch den Boden passen. Die Enden der Rohre, die den Rohrboden durchdringen, werden aufgeweitet, um sie an Ort und Stelle zu fixieren und eine Abdichtung zu bilden.

Die Rohranordnung bildet eine geschlossene Einheit zwischen den Rohrplatten. Die Rohrplatten werden dann an Flansche innerhalb der Ummantelung geschraubt. Die Ummantelung ragt über jede Rohrplatte hinaus und ist abgedichtet, wodurch zwei geschlossene Kammern an den nicht mit Rohren versehenen Enden der Rohrplatten entstehen. Dadurch entsteht eine Anordnung, bei der der Wärmetauscher aus zwei getrennten Endkammern besteht, die durch Rohre verbunden sind, die durch einen isolierten Raum zwischen den Rohrplatten verlaufen. Erhitzte Flüssigkeit wird dann durch die Rohre von einer Endkammer in die andere geleitet, wo kalte Flüssigkeit im Hohlraum zwischen den Rohrplatten die Wärmeenergie absorbiert.

Die Konstruktion von Rohrböden ist ein ziemlich präziser und komplexer Prozess. Die genaue Anzahl der Rohre muss festgelegt und ein Lochmuster berechnet werden, um sie gleichmäßig über die Rohrbodenoberfläche zu verteilen. Große Wärmetauscher können mehrere tausend Rohre aufweisen, die in genau berechneten Gruppen oder Bündeln angeordnet sind. Die Konstruktion und Produktion von Rohrböden erfolgt heutzutage weitgehend automatisiert, wobei CAD-Software (Computer-Aided Design) die Berechnungen durchführt und die Rohrbodenbohrungen auf CNC-Maschinen (Computerized Numerical Control) durchgeführt werden.

Die in Wärmetauschern und Kesseln verwendeten Rohrböden sind häufig mit einer Isolierschicht überzogen, die auch als Korrosionsschutz dient. Um den Rohrboden zusätzlich vor Rost zu schützen, kann an der Oberfläche des Bodens auch eine Opfer- oder galvanische Anode angebracht werden. Rohrböden werden auch bei Patronenfiltern verwendet, um die einzelnen Filterelemente zu stützen. Sie sind in ihrer Konstruktion den Hochtemperaturkesseln ähnlich, bestehen jedoch normalerweise aus Harzverbundstoffen oder Kunststoff und werden im Allgemeinen als Einzeleinheiten verwendet. Bei einer Filteranwendung sind normalerweise weniger Rohre beteiligt, obwohl die Rohrbodenkonstruktion dennoch sorgfältig berechnet werden muss, um eine optimale Leistung sicherzustellen.

Das Design mit festem Rohrboden besteht aus zwei stationären Rohrböden, die an der Ummantelung befestigt sind. Das Bündel gerader Rohre ist zwischen den Rohrböden verbunden und enthält Leitbleche, um den Fluss um die Rohre herum zu lenken und so die erforderliche Wärmeübertragung zu erzeugen. An jedem Rohrboden ist eine Kopfbaugruppe befestigt.

Das U-Rohr-Design besteht aus geraden Rohren, die in eine U-Form gebogen sind und deren beide Enden am Rohrboden enden. Das Rohrbündel ist mit Stützen oder Strömungsleitblechen ausgestattet. Das Rohrboden-/Rohrbündel wird in die Hülle eingesetzt und zwischen Kopfflansch und Körperflansch verschraubt. Eine Kopfbaugruppe ist erforderlich, um die Flüssigkeit in das Rohrbündel hinein und aus ihm heraus zu leiten. Diese Konfiguration ermöglicht es, das gesamte Rohrbündel zu entfernen.

Die Konstruktion eines schwimmenden Rohrbodens ähnelt der Konstruktion eines festen Rohrbodens, mit dem Unterschied, dass sich ein Rohrboden axial innerhalb der Schale bewegen kann, während der andere Rohrboden fixiert ist.

Einer der am häufigsten in industriellen Prozessanwendungen eingesetzten Wärmetauscher ist der „Rohrplatten-Wärmetauscher“. Sie sind in vielen Formen und Größen erhältlich und werden seit über 150 Jahren in der Industrie verwendet. In dieser Wärmetauschergruppe gibt es verschiedene Unterkonstruktionstypen: Feste, U-Rohr- und schwimmende Rohrplatten. Variationen von allen können als Typ „E“, „F“, „G“, „H“, „J“, „K“ oder „X“ bezeichnet werden. Die Hauptanwendungen sind dort, wo hoher Druck/hohe Temperaturen eine wichtige Rolle spielen. Grob gesagt bestehen allgemeine Konstruktionen aus der/einer Außenhülle, in der sich ein Rohrbündel befindet (diese können als gerippt, glatt usw. konfiguriert sein), das an jedem Ende durch eine Rohrplatte abgedichtet ist, die die Rohre und die Außenhülle isoliert.

Rohrplatten-Wärmetauscher können große Wärmemengen zu niedrigen (oder niedrigeren) Kosten übertragen. Dies ist im Prinzip sowohl auf die einfache Konstruktion als auch auf die Effektivität zurückzuführen – große Rohroberfläche für geringeres Gewicht, Flüssigkeitsvolumen und vor allem weniger Stellfläche.

Obwohl die Auswahl sehr groß ist, gibt es bestimmte Schlüsselkomponenten, die sich alle ähneln. Rohrböden sind mit Rohren im Körper oder „Gehäuse“ des Wärmetauschers verbunden. Die Rohre ermöglichen die Bewegung eines bestimmten Mediums (Gas/Flüssigkeit) durch die Gehäusekammer und verhindern, dass es sich mit einem zweiten flüssigen Medium vermischt, das sich außerhalb dieser Rohre befindet. Solange zwischen diesen ein Temperaturunterschied besteht, fließen die beiden praktisch aneinander vorbei und tauschen Wärme aus, ohne sich jemals zu vermischen. Rohrböden können je nach Anwendung, für die der Wärmetauscher ausgelegt ist, fest oder schwimmend sein.

Rohrböden sind ein entscheidender Bestandteil des endgültigen Designs. Sie können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Die Materialauswahl erfolgt nach sorgfältiger Überlegung, da sie mit beiden Flüssigkeiten in Kontakt kommt. Sie müssen daher die für ihre jeweilige Arbeitsumgebung erforderliche Korrosionsbeständigkeit sowie die elektromechanischen und metallurgischen Eigenschaften aufweisen.

In die Rohrplatten selbst sind Löcher gebohrt. Dies geschieht in einer bestimmten, sehr spezifischen Designkonfiguration an sehr präzisen Stellen mit kritischen Toleranzen. Die Anzahl der Löcher kann von einigen wenigen bis zu Tausenden reichen. Diese Muster- oder „Abstands“-Löcher sind relativ zu jeder anderen Rohrplatte innerhalb der Hülle. Dieser Abstand ändert den Rohrabstand, den Winkel und die Strömungsrichtung. Diese Parameter wurden variiert, um die Wärmeübertragungseffizienz zu maximieren.

Rohrboden-Wärmetauscher: Einer der großen Vorteile von Rohrbündel-Wärmetauschern ist ihre häufig einfache Wartung, insbesondere bei Modellen mit schwimmendem Rohrbündel, bei denen die Rohrplatten nicht mit dem Außenmantel verschweißt sind. Feste Rohrboden-Wärmetauscher werden bei festen Rohrboden-Wärmetauschern verwendet.

Rohrplatten-Wärmetauscher können bei richtiger Materialwahl auch zum Kühlen oder Erwärmen anderer Medien wie Schwimmbadwasser oder Ladeluft verwendet werden. Fest installierte Rohrplatten-Wärmetauscher sind die ideale Kühllösung für eine Vielzahl von Anwendungen. Eine der häufigsten Anwendungen ist die Kühlung von Hydraulikflüssigkeit und Öl in Motoren, Getrieben und Hydraulikaggregaten.

Verwendung von Wärmetauscher-Rohrplatten

Der Rohrboden des Wärmetauschers erfüllt mehrere wichtige Funktionen.

Erstens hält es die Rohre an ihrem Platz und bietet ihnen einen sicheren Befestigungspunkt. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Rohre während des Betriebs nicht verschieben oder bewegen, was zu Schäden oder Undichtigkeiten im Wärmetauscher führen könnte.

Zweitens dient der Rohrboden als Dichtfläche für das auszutauschende Fluid. Dadurch werden Undichtigkeiten zwischen den Rohren und dem Mantel vermieden, die zu einem Effizienzverlust oder sogar zu einer Beschädigung des Wärmetauschers führen könnten.

Schließlich muss der Rohrboden so ausgelegt sein, dass er dem Druck und der Temperatur der ausgetauschten Flüssigkeiten standhält. Dies ist entscheidend für die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Wärmetauschers sowie für seine Gesamtleistung.

In manchen Fällen kann der Rohrboden auch so gestaltet sein, dass er leicht gewartet und repariert werden kann. Er kann beispielsweise so gestaltet sein, dass er bei Bedarf leicht entfernt und ersetzt werden kann oder dass er einen einfachen Zugang zu den Rohren für die Reinigung oder Inspektion ermöglicht.

Insgesamt gesehen ist der Rohrboden des Wärmetauschers eine entscheidende Komponente von Röhrenbündel-Wärmetauschern und seine ordnungsgemäße Konstruktion, Herstellung und Wartung sind für den sicheren und effizienten Betrieb dieser Geräte von entscheidender Bedeutung.

Verwendetes Wärmetauscher-Rohrplattenmaterial

Wärmetauscherrohrplatten bestehen normalerweise aus hochfesten Materialien, die dem Druck und der Temperatur der ausgetauschten Flüssigkeiten standhalten. Zu den üblichen Materialien für Rohrplatten gehören Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Titan und Nickellegierungen.

1. Kohlenstoffstahl ist aufgrund seiner Festigkeit, Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit eine beliebte Wahl für Rohrböden. Er ist jedoch korrosionsanfällig und kann Schutzbeschichtungen oder andere Maßnahmen zum Korrosionsschutz erfordern.

2. Edelstahl ist eine weitere beliebte Wahl für Rohrböden, insbesondere bei Anwendungen, bei denen Korrosionsbeständigkeit eine Rolle spielt. Edelstahl ist äußerst korrosionsbeständig und hält hohen Temperaturen und Drücken stand.

3. Titan wird häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen Gewicht und Korrosionsbeständigkeit entscheidende Faktoren sind. Es ist äußerst korrosionsbeständig und leicht, was es ideal für den Einsatz in Wärmetauschern in der Luft- und Raumfahrt sowie im Schiffbau macht.

4. Nickellegierungen wie Inconel und Monel werden auch häufig für Rohrböden in Hochtemperatur- und korrosiven Umgebungen verwendet. Diese Legierungen sind äußerst korrosionsbeständig und halten extremen Temperaturen und Drücken stand.

Im Allgemeinen hängt die Wahl des Materials für die Rohrböden eines Wärmetauschers von einer Reihe von Faktoren ab, unter anderem von der spezifischen Anwendung, den Betriebsbedingungen sowie den Kosten und der Verfügbarkeit der Materialien.

Prüfnorm für Wärmetauscher-Rohrböden 

Die Inspektion von Wärmetauscherrohrplatten ist ein wichtiger Teil der Gewährleistung eines sicheren und effizienten Betriebs des Wärmetauschers. Es gibt mehrere Normen und Richtlinien, die für die Inspektion von Wärmetauscherrohrplatten gelten, darunter:

1. ASME-Kessel- und Druckbehälter-Code – Abschnitt VIII, Abteilung 1: Dieser Code enthält Richtlinien für die Konstruktion, Herstellung und Prüfung von Druckbehältern, einschließlich Wärmetauschern. Er legt die Anforderungen für die Prüfung von Rohrböden fest, einschließlich Sichtprüfungen, zerstörungsfreier Prüfungen und Maßmessungen.

2. API 570 – Rohrleitungsinspektionscode: Dieser Standard enthält Richtlinien für die Inspektion, Reparatur und Änderung von im Einsatz befindlichen Rohrleitungssystemen, einschließlich Wärmetauscherrohrplatten. Er enthält Richtlinien für Sichtprüfungen, Ultraschallprüfungen, Röntgenprüfungen und andere zerstörungsfreie Prüfmethoden.

3. ASTM E446 - Standard-Referenzröntgenbilder für Stahlgussteile mit einer Dicke von bis zu 2 Zoll (50,8 mm): Diese Norm bietet Referenzröntgenbilder zur Bewertung der Qualität von Stahlgussteilen, einschließlich Rohrblechen. Sie umfasst Röntgenbilder für verschiedene Qualitätsstufen, von akzeptabel bis ablehnbar.

4. NACE MR0175/ISO 15156 – Erdöl-, Petrochemie- und Erdgasindustrie – Materialien für den Einsatz in H2S-haltigen Umgebungen bei der Öl- und Gasproduktion: Diese Norm enthält Richtlinien für die Materialauswahl, Herstellung und Prüfung in Umgebungen, die Schwefelwasserstoff (H2S) enthalten, der Korrosion und andere Schäden an den Rohrböden von Wärmetauschern verursachen kann.

Generell sollte die Prüfung von Wärmetauscherrohrplatten von qualifiziertem Personal unter Verwendung geeigneter Prüfmethoden und -geräte durchgeführt werden. Die spezifischen Prüfanforderungen hängen vom spezifischen Wärmetauscherdesign, den Betriebsbedingungen und den geltenden Vorschriften und Normen ab.

Größe und Form des Wärmetauscherrohrbodens 

Wärmetauscherrohrplatten gibt es in verschiedenen Größen und Formen, je nach spezifischer Wärmetauscherkonstruktion und Anwendung. Größe und Form der Rohrplatte werden normalerweise durch die Anzahl und Größe der Rohre sowie die Abmessungen der Wärmetauscherschale bestimmt.

Die Größe der Rohrböden kann zwischen einigen Zoll Durchmesser bei kleineren Wärmetauschern und mehreren Fuß Durchmesser bei größeren industriellen Wärmetauschern variieren. Die Dicke des Rohrbodens hängt vom Druck und der Temperatur der ausgetauschten Flüssigkeiten sowie vom verwendeten Material ab.

Rohrböden haben normalerweise eine runde oder rechteckige Form und sind mit Löchern versehen, die zur Aufnahme der Rohre gebohrt oder gestanzt sind. Das Muster und der Abstand der Rohre hängen vom jeweiligen Wärmetauscherdesign und der Anwendung ab.

Einige Rohrböden können außerdem zusätzliche Merkmale aufweisen, wie beispielsweise Rillen oder Vertiefungen zur Verbesserung des Flüssigkeitsflusses oder Flansche, um den Anschluss an andere Teile des Wärmetauschers zu erleichtern.

Insgesamt werden Größe und Form des Wärmetauscher-Rohrbodens durch die jeweilige Anwendung und die Betriebsbedingungen bestimmt und so ausgelegt, dass Leistung und Effizienz des Wärmetauschers optimiert werden.

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