T-förmige Rippenrohre sind effiziente Wärmeaustauschrohre, die durch das Walzverfahren aus einem blanken Rohr geformt werden.

Das T-förmige Rippenrohr ist ein effizientes Wärmeaustauschrohr, das durch den Walzprozess eines leichten Rohrs gebildet wird. Sein strukturelles Merkmal ist die Bildung einer Reihe spiralförmiger ringförmiger T-förmiger Tunnel auf der Außenfläche des Rohrs. Wenn das äußere Medium erhitzt wird, bilden sich in den Tunneln eine Reihe von Blasenkernen. Aufgrund des Erhitzungszustands um den Tunnelhohlraum dehnen sich die Blasenkerne schnell aus und füllen den Hohlraum. Kontinuierliches Erhitzen erhöht den Druck im Inneren der Blase, wodurch diese durch feine Risse schnell von der Oberfläche des Rohrs ausgestoßen wird. Wenn die Blase ausgestoßen wird, trägt sie eine erhebliche Spülkraft und erzeugt einen bestimmten lokalen Unterdruck, wodurch umgebende Flüssigkeit mit niedrigerer Temperatur in den T-förmigen Tunnel fließt und ein kontinuierliches Sieden entsteht. Diese Siedemethode entzieht innerhalb einer Zeiteinheit viel mehr Wärme pro Oberflächeneinheit als ein leichtes Rohr, wodurch dieser Rohrtyp eine hohe Siedewärmeübertragungskapazität aufweist. Der Artikel enthält detaillierte Informationen zum Forschungsfortschritt, den Funktionsprinzipien, Eigenschaften, Wärmeübertragungsmechanismen und Anwendungen von T-förmigen Rippenrohren.

T-förmiges Rippenrohr Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Forschungsfortschritt bei T-förmigen Rippenrohren

3. Grundsätze für T-förmige Rippenrohre

4. Eigenschaften von T-förmigen Rippenrohren

5. Wärmeübertragungsmechanismen von T-förmigen Rippenrohren

6. Anwendungen von T-förmigen Rippenrohren

7. Entwicklung und Anwendung von T-förmigen Rippenrohrverdampfern

Einführung in T-förmige Rippenrohre

Seit der Erfindung des T-förmigen Rippenrohrs durch das deutsche Unternehmen Wieland-Worke im Jahr 1978 haben Wissenschaftler im In- und Ausland damit begonnen, die verbesserte Wärmeübertragungsleistung und die mechanische Verarbeitung von T-förmigen Rippenrohren zu erforschen. In China werden T-förmige Rippenrohre zunehmend in der Raffination und Petrochemie eingesetzt. Industrielle Anwendungstests von Reboilern wurden in der Alkylierungsanlage der Changling Refinery and Chemical General Factorys sowie in der Entschwefelungsanlage der Luoyang Chemical Engineering Company durchgeführt. Produktions- und Betriebsergebnisse zeigen, dass T-förmige Rippenrohr-Reboiler im Vergleich zu Leichtrohr-Reboilern nicht nur über 30 % Wärmeaustauschfläche einsparen, sondern auch eine hervorragende Betriebsflexibilität aufweisen. Selbst bei einer Produktionsüberlastung von 33 % behalten sie eine hohe Wärmeübertragungseffizienz und einen stabilen Betrieb bei.

Forschungsfortschritt bei T-förmigen Rippenrohren

Das T-förmige Rippenrohr , das erstmals 1978 in Westdeutschland erfunden wurde (bekannt als Gewa-T-Rohr oder einfach T-Rohr), ist eine der vier wichtigsten Siedeoberflächen weltweit. Es verbessert den Siedewärmeübergangskoeffizienten und die kritische Wärmelast im Vergleich zu leichten Rohren erheblich. Seine Wärmeübergangsleistung kommt der von E-Rohren nahe oder übertrifft sie sogar. Im Vergleich zu anderen Oberflächenbeschichtungen hat es den Vorteil einer einfachen Verarbeitung, was die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich zieht.

Abgesehen von der Forschung der Universität Chongqing über die Wärmeübertragung beim Sieden von T-förmigen, flachen Oberflächen, die durch Drahtschneiden bearbeitet wurden, liegen jedoch keine Berichte anderer Einheiten über die Entwicklung von T-Rohren im Inland vor. Daher sind zeitnahe Entwicklung und Forschung zu T-Rohren erforderlich.

Die bisherige Forschung zu T-Röhren konzentrierte sich hauptsächlich auf den Vergleich der Wärmeübertragungsleistung mehrerer verbesserter Oberflächen. Versuchsergebnisse zeigen, dass der Wärmeübertragungskoeffizient beim Sieden von T-Röhren 2 bis 5 Mal höher ist als der von Lichtröhren. In Bezug auf den verbesserten Wärmeübertragungsmechanismus der Röhre wurden vorläufige Diskussionen von Stephan, K. und anderen geführt, die darauf schließen ließen, dass die T-förmige Struktur der Rippen das effektive Entweichen von Blasen, die in den Tunneln zwischen den Rippen entstehen, einschränkt. Dies führt dazu, dass sich die Blasen entlang des Tunnels nach oben bewegen, wobei sie häufiger mit der Innenwand des Tunnels in Kontakt kommen und so die Wärmeübertragung fördern, was als „Kontaktlängenwachstumshypothese“ bekannt ist. Dies ist jedoch nur eine qualitative und intuitive Hypothese ohne weitere Analyse der Bewegung von Flüssigkeiten in und aus den Tunneln. Die experimentellen Studien von Marco, PJ und anderen zeigen auch, dass die Bewegung von Dampf-Flüssigkeit in und aus dem Tunnel ihre Wärmeübertragungsleistung stark beeinflusst. Ihre Experimente ergaben auch, dass T-Röhren wie andere Siedeoberflächen während des anfänglichen Siedevorgangs eine erhebliche Temperaturunterschiedsanomalie (Siedeverzögerungsphänomen) aufweisen. Es ist klar, dass das Vorhandensein eines Verzögerungsphänomens die Leistung der verbesserten Oberfläche stark beeinträchtigt. Eine detaillierte Untersuchung des Verzögerungsphänomens kann wichtige Referenzdaten für die Konstruktion und den Betrieb verbesserter Rohrwärmetauscher liefern.

Prinzip der T-förmigen Rippenrohre

Das T-förmige Rippenrohr ist ein effizientes Wärmeaustauschrohr, das durch den Walzprozess eines leichten Rohrs gebildet wird. Sein strukturelles Merkmal ist die Bildung einer Reihe spiralförmiger ringförmiger T-förmiger Tunnel auf der Außenfläche des Rohrs. Wenn das äußere Medium erhitzt wird, bilden sich in den Tunneln eine Reihe von Blasenkernen. Da diese Kerne innerhalb des Tunnelhohlraums von allen Seiten erhitzt werden, dehnen sie sich schnell aus und füllen den Hohlraum. Kontinuierliches Erhitzen führt zu einem schnellen Druckanstieg im Inneren der Blasen, wodurch diese schnell durch feine Risse auf der Rohroberfläche herausspritzen. Wenn die Blasen ausgestoßen werden, tragen sie eine erhebliche Spülkraft und erzeugen einen bestimmten lokalen Unterdruck, wodurch umgebende Flüssigkeit mit niedrigerer Temperatur in den T-förmigen Tunnel fließt und ein kontinuierliches Sieden entsteht. Diese Siedemethode entzieht im Vergleich zu einem leichten Rohr innerhalb einer Zeiteinheit viel mehr Wärme pro Oberflächeneinheit. Daher hat dieser Rohrtyp eine höhere Siedewärmeübertragungsfähigkeit.

Eigenschaften von T-förmigen Rippenrohren

1. Hervorragende Wärmeübertragungseffizienz. Beim Kältemittel R113 ist der Siedewärmeübertragungskoeffizient von T-Rohren 1,6-3,3-mal höher als der von Lichtröhren.

2. Im Gegensatz zu herkömmlichen Glattrohr-Wärmetauschern , bei denen das kalte Medium erst zu sieden beginnt, wenn die Temperatur den Siedepunkt oder Blasenpunkt des heißen Mediums um 12–15 °C übersteigt, benötigen T-förmige Rippenrohr-Wärmetauscher nur einen Temperaturunterschied von 2–4 °C, damit das kalte Medium zu sieden beginnt. Die Blasenbildung ist fein, kontinuierlich und schnell, was einen einzigartigen Vorteil gegenüber leichten Rohren darstellt.

3. Einzelrohrexperimente mit Fluor 11 als Medium zeigen, dass der Siedewärmeübergangskoeffizient von T-Rohren das 10-fache des Siedewärmeübergangskoeffizienten von Lichtröhren erreichen kann. Kleinbündelexperimente mit flüssigem Ammoniak als Medium ergeben einen Gesamtwärmeübergangskoeffizienten, der 2,2-mal so hoch ist wie der von Lichtröhren. Die industrielle Kalibrierung von Reboilern in C3- und C4-Kohlenwasserstofftrenntürmen zeigt, dass der Gesamtwärmeübergangskoeffizient von T-Rohren bei geringer Belastung 50 % höher ist als der von glatten Rohren und bei hoher Belastung 99 % höher ist.

4. T-förmige Rippenrohre zur Wärmeübertragung sind im Vergleich zu Wärmeübertragungsrohren aus Aluminium mit poröser Oberfläche günstiger.

5. Aufgrund der intensiven Gas-Flüssigkeits-Störung im Tunnel und der Hochgeschwindigkeits-Gasausstoßung entlang der T-förmigen Naht sind weder die Innenfläche der T-förmigen Nut noch die Außenfläche des Rohrs anfällig für Verschmutzungen. Dies gewährleistet eine langfristige Nutzung der Geräte, ohne dass der Wärmeübertragungseffekt durch Verschmutzungen beeinträchtigt wird.

Wärmeübertragungsmechanismus von T-förmigen Rippenrohren

Um den Einfluss der durchschnittlichen Öffnungsweite auf die Wärmeübertragungsleistung von T-Rohren und die unterschiedlichen Siedeverzögerungsphänomene zwischen T-Rohren und blanken Rohren zu erklären, muss man den Wärmeübertragungsmechanismus beim Sieden von T-Rohren verstehen. Wie bereits erwähnt, liegt der Schlüssel in der Art und den Strömungsbedingungen von Dampf und Flüssigkeit innerhalb der Tunnel während des Siedens der T-Rohre. Verschiedene Beobachtungen der Dampf-Flüssigkeits-Bewegung innerhalb der Tunnel bei unterschiedlichen Wärmebelastungen zeigen sowohl die Existenz von Faktoren, die das Wachstum der Kontaktlänge fördern, als auch von Faktoren, die es behindern.

Bei geringer Wärmebelastung sind in den Tunneln deutlich Dampf-Flüssigkeitssäulen vorhanden, mit periodischen Auf- und Abwärtsbewegungen der Dampf-Flüssigkeitssäulengrenzfläche und Ablösen von Dampfblasen aus den Tunneln. Während eines Zyklus wird aufgrund der Wärmeabsorption durch den Dampf-Flüssigkeitsfilm zwischen Gas und Feststoff im Tunnel die Flüssigkeit im unteren Teil aus dem Tunnel herausgedrückt, und das Dampfsäulenvolumen an der Oberseite des Tunnels nimmt allmählich zu, während die Dampf-Flüssigkeitssäulengrenzfläche absinkt. Wenn der Dampfsäulendruck ausreicht, um den aus dem Schlitz entweichenden Formwiderstand zu überwinden, entweichen Blasen schnell aus dem Schlitz, und der Dampf tritt schnell in den Tunnel ein, wodurch die Dampf-Flüssigkeitsgrenzfläche ansteigt und der nächste Zyklus beginnt. In dieser Phase erfolgt die Wärmeübertragung hauptsächlich durch die Wärmeleitung des dünnen Flüssigkeitsfilms zwischen Gas und Feststoff im oberen Tunnel und die natürliche Konvektionswärmeübertragung der Flüssigkeit, die im unteren Teil in den Tunnel hinein und aus ihm heraus zirkuliert.

Wenn die Wärmebelastung allmählich zunimmt, beschleunigt sich die Dampfproduktionsrate, und die Dampfausdehnung muss die erhöhte Viskosität der Flüssigkeit im Tunnel überwinden. Der Druck der Dampfphase steigt, wodurch die Dampfphase leichter aus dem Tunnel entweichen kann. Daher wird in Experimenten auch beobachtet, dass mit zunehmender Wärmebelastung die Bewegungsamplitude der Dampf-Flüssigkeitssäulenschnittstelle abnimmt und der Zyklus kürzer wird. Wenn die Wärmebelastung relativ hoch ist, kann der periodische Wachstums- und Ablöseprozess der Dampfphase oben im Tunnel nicht die gesamte Wärme rechtzeitig abführen, was zu einem Anstieg der Temperatur der Tunnelwand und der Flüssigkeit im Tunnel führt, was zur Bildung und Ablösung von Dampfblasen an der Innenfläche des Tunnels führt. Diese aufsteigenden Blasen bewegen sich, wie von Stephan, K. und anderen vorhergesagt, aufgrund von Auftrieb und Formwiderstand entlang des Tunnels nach oben, wobei einige aufsteigen, bis sie oben mit der Dampfsäule verschmelzen, und einige sich vor der Verschmelzung von den Seiten des Rohrs lösen. Außerdem lösen sich bei höherer Wärmebelastung schnell mehr Blasen von den Seiten des Tunnels, sodass sich der Tunnel nach und nach mit Blasen füllt. Wie in Abbildung 8 gezeigt, wird es allmählich schwierig, die Grenzfläche zwischen Dampf- und Flüssigkeitssäule im Inneren des Tunnels zu unterscheiden. An diesem Punkt beinhaltet die Wärmeübertragung hauptsächlich das Blasensieden im Inneren des Tunnels. Es ist zu erwarten, dass sich bei weiterer Erhöhung der Wärmebelastung die gefüllten Blasen aufgrund der starken Produktion, Bewegung und Ablösung im Inneren des Tunnels schließlich zu einer kontinuierlichen Dampfphase verbinden, wodurch es für die Flüssigkeit im Tunnel schwieriger wird, das Blasensieden aufrechtzuerhalten. Die Wärmeübertragung wandelt sich dann in die Verdampfung des dünnen Flüssigkeitsfilms im Inneren des Tunnels um. Wenn die Wärmebelastung einen bestimmten Wert erreicht, ist die Geschwindigkeit der in den Tunnel eintretenden Flüssigkeit geringer als die Verdampfungsgeschwindigkeit, wodurch die Innenwand allmählich austrocknet, was zu einer Siedekrise oder dem Übergang zu einem Filmsieden oder Brennen an der Tunneloberfläche führt.

Basierend auf experimentellen Phänomenen und Analysen kann die Wärmeübertragung innerhalb der T-Rohr-Tunnel in die folgenden fünf verschiedenen Phasen von geringer bis hoher Wärmebelastung unterteilt werden:

1. Natürliche Konvektionswärmeübertragung vor der Entstehung von Dampfblasen.

2. Lokale Filmverdampfung während des periodischen Wachstums und der Ablösung der Dampfphase an der Oberseite des Tunnels und entsprechende Konvektionswärmeübertragung während der Flüssigkeitszirkulation in den Tunnel und aus ihm heraus.

3. Wärmeübertragung durch Blasensieden im Tunnel.

4. Wärmeübertragung durch Filmverdampfung an der Innenwand des Tunnels.

5. Wärmeübertragung durch Filmsieden oder Brennen, nachdem die Tunneloberfläche ausgetrocknet ist.

Anwendungen von T-förmigen Rippenrohren

Solange das Medium auf der Mantelseite relativ sauber und frei von Feststoffpartikeln und Kolloiden ist, können T-förmige Rippenrohre als Wärmeaustauschelemente verwendet werden, um T-förmige Rippenrohrwärmeaustauscher zu bilden, wodurch die Effizienz der Wärmeübertragung beim Sieden auf der Mantelseite verbessert wird.

Entwicklung und Anwendung von T-förmigen Rippenrohrverdampfern

Der industrielle Teststand für den T-förmigen Rippenrohr-Nachverdampfer befindet sich am unteren Nachverdampfer (Austauscher 2) des Gasfraktionierungs-Depropanisierungsturms (Turm 1) der Alkylierungseinheit von Sinopec Changle Branch. Die geplante Wärmelast beträgt 4600 GJ/h. Der ursprünglich verwendete FLa700-135-40-2-Rohrbündel-Nachverdampfer mit schwimmendem Kopf hatte eine Wärmeübertragungsfläche von 135 m² mit einem tatsächlichen Wärmeübertragungskoeffizienten von nur 250 W/(m²·K), was einen erheblichen Spielraum für die erwartete Steigerung der Verarbeitungskapazität in der Alkylierungseinheit berücksichtigt. Bei Verwendung des T-förmigen Rippenrohr-Nachverdampfers beträgt die berechnete Wärmeübertragungsfläche 65 m², wenn man davon ausgeht, dass der externe Siedewärmeübertragungskoeffizient des T-förmigen Rippenrohrs dreimal so hoch ist wie der eines glatten Rohrs. Um zusätzliche Reserven zu schaffen, wurde der T-förmige Rippenrohr-Nachverdampfer F LB 700-95-40-2 mit einer Wärmeübertragungsfläche von 95 m² ausgewählt. Um jedoch die vorhandene Ausrüstung nutzen zu können, wurde nur das Rohrbündel ausgetauscht. Die Rohrplatte des F LB700 wurde in eine Nachverdampfer-Rohrplatte des F LB700 umgewandelt und das Rohrbündel wurde hergestellt. Der letzte 1. Rohrdurchgang hatte 29 verschlossene Rohre und der 2. Rohrdurchgang hatte insgesamt 58 verschlossene Rohre. Die tatsächliche Wärmeübertragungsfläche des Rohrbündels beträgt 90,5 m².

Nach der erfolgreichen Probeproduktion des T-förmigen Rippenrohr-Nachverdampfers wurde dieser im unteren Nachverdampfer (Austauscher 2) der Alkylierungseinheiten Turm 1 in der Sinopec Changle-Niederlassung installiert. Seit seinem Betrieb ist die Leistung ausgezeichnet und seine Wärmelast hat die geplante Wärmelast überschritten, wodurch die Produktionsanforderungen erfüllt wurden.

T-förmiges Rippenrohr | U-förmiges Rippenrohr mit niedriger Rippenform