1. Was ist ein verdrilltes Rohr?

Der Querschnitt des verdrillten Rohrs ist elliptisch. Es handelt sich um ein Wärmeaustauschelement und der Strömungsweg im Rohr ist spiralförmig. Daher wird es als verdrilltes Flachrohr bezeichnet. Um die Herstellung der Verbindung zwischen dem Wärmeaustauschelement und dem Rohrboden zu erleichtern, bleiben die beiden Enden des elliptischen Rohrs rund. Die Anordnung der verdrillten Flachrohre in der Hülle ist sehr kompakt. Die Außenkanten benachbarter Wärmeübertragungsrohre halten den spiralförmigen Punktkontakt aufrecht, um das Volumen des Wärmetauschers zu verringern und den Strömungsraum zwischen den Wärmeaustauschelementen zu vergrößern.

Twisted Tubes sind eine Art verbesserter Wärmeübertragungsrohre, die zuerst von der Schweizer Firma Allares vorgestellt und dann von der US-amerikanischen Firma Brown verbessert wurden. 

2. Aufbau und Herstellung von  verdrillten Rohren

Die Eigenschaft von gedrehten Rohren besteht darin, dass der Querschnitt aller Rohre oval ist. Beim Zusammenbau von Wärmetauschern können diese als gemischte Bündel (d. h. gemischte Verwendung von gedrehten Rohren und blanken Rohren) oder auch als reines gedrehtes Rohrbündel ausgeführt werden.

Der Herstellungsprozess umfasst zwei Formungsschritte: „Partialdruck“ und „Verformung“. Der Rohrquerschnitt ist ellipsenförmig, das Verhältnis von langer und kurzer Achse ist entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit im Wärmeübertragungsrohr ausgelegt. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr niedrig ist, können wir das Verhältnis von langer und kurzer Achse erhöhen oder die Strömungsfläche verringern.

Nahtlose Stahlrohre, die zur Herstellung von Wärmetauschern verwendet werden, sind durchgehende Rohre ohne Verbindungsstellen. Die in Stahlrohren üblicherweise verwendeten Materialien sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

3. Verbesserte Wärmeübertragungsprinzipien von verdrillten Rohren

Die einzigartige Struktur des verdrehten Rohrs ermöglicht es, dass der Fluss im Rohr und im Mantel gleichzeitig spiralförmig verläuft, wodurch die Turbulenzintensität erhöht wird. Der Wärmeübertragungskoeffizient des verdrehten Rohrs ist 40 % höher als der normale, aber der Druckabfall ist nahezu derselbe.

4. Vorteile des Wärmetauschers mit verdrilltem Rohr

5. Spezifikation des  Wärmetauschers mit verdrillten Rohren

Abb.: Abbildung der grundlegenden Dimensionsparameter des verdrillten Rohrs

Hinweis: Die obige Tabelle stellt die Basisparameter für standardmäßige gedrehte Rohre dar. Bei Sonderanforderungen können gedrehte Rohre auch gemäß St und L hergestellt werden.

6. Anwendung des verdrillten Rohres

Da sich gedrehte Rohre in den letzten Jahren schnell entwickelt und verbessert haben, sind sie viel zuverlässiger und effektiver und können in fast allen Rohrbündelwärmetauschern verwendet werden. Seit 1984 wurden mehr als 400 gedrehte Rohrwärmetauscher verwendet und sie können in Gas-Gas-, Flüssigkeit-Flüssigkeit- und Flüssigkeit-Gas-Wärmeübertragungsprozessen verwendet werden, einschließlich der Chemie, Erdöl-, Lebensmittel-, Papierherstellungs-, Strom-, Metallurgie-, Bergbau- und Fernwärmeindustrie.

7. Anwendungsbeispiel des verdrillten Rohres

1997 ersetzte die Lanzhou-Raffinerie die herkömmlichen Wärmetauscher in der Keton-Benzol-Entparaffinierungsanlage durch Flachrohr-Wärmetauscher, die von einem lokalen Unternehmen entwickelt und hergestellt wurden. Entsprechend den Prozessparametern wurde HETECH für die Typenauswahlberechnung des Flachrohr-Wärmetauschers verwendet.

Gedrehtes Rohr, Twist Flate-Rohr, braunes gedrehtes Rohr mit Rippen

Tabelle: Zugehörige Parameter des Benzol-Keton-Entparaffinierungsprozesses

Artikel Röhrenpass Muschelpass 

Medium Lösungsmittel Heißes Wasser

Durchfluss/kg·h-1 5000,0 20000,0

Betriebsdruck/MPa 0,18 0,23

Zulauftemperatur/°C 130,0 200,0

Austrittstemperatur/oC 185,0 190,0

Relative Dichted420 0,83 1,0

Temperatur bei Viskosimetrie /oC 50 100 50 100

Viskosität/mm2·s-1 13,4 5,6 0,556 0,296

Verschmutzungsresistenz/W·(m2·K)-1 0,0002 0,0002

Auswahl & Berechnung des Twist-Flachrohr-Wärmetauschers:

Sie wählten rechnerisch zwei Einheiten von Wärmetauschern mit gedrehten Flachrohren (Nr. LCLF600-2.5-74.5-6/25-6 (ST = 250)) anstelle der ursprünglichen zwei Einheiten von Wärmetauschern mit gebogenen Prallplatten (Nr. BES800-2.5-145-6/25-6 (B = 300)). Die Wärmeübertragungsfläche jeder Einheit wurde im Vergleich zur Originalausrüstung fast verdoppelt. Da wir diesen Wärmetauschertyp zum ersten Mal verwendeten und unter Berücksichtigung des Druckabfalls im Manteldurchgang entschieden wir uns für einen Wärmetauscher mit DN600 mm. Bei den Strukturparametern wählten wir dennoch ein Wärmeübertragungsrohr mit Φ 25 mm, dessen Rohrabstand 32 mm beträgt und das in einem Winkel von 45° gedreht ist, um den Durchfluss und die Reinigung im Manteldurchgang zu erleichtern. Bei einem Flachrohr mit gleicher Bleiverdrehung ist die Wärmeübertragungs- und Widerstandsleistung eines Rohrs mit 25 mm Durchmesser eindeutig besser als bei einem Rohr mit 19 mm Durchmesser. Das Blei steht auch in direktem Zusammenhang mit dem Wärmeübertragungskoeffizienten. Ist das Blei zu klein, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit, die Punktkontakte der Spirale nehmen zu, die Funktion der Nachlaufströmung wird gestärkt und der Wärmeübertragungskoeffizient verbessert, aber der Widerstand erhöht sich. Ist das Blei zu groß, ändert sich die Geschwindigkeit fast nicht, und der Wärmeübertragungseffekt ist nicht offensichtlich. Daher haben wir uns für ein Blei von 250 mm entschieden.

Tabelle: Ergebnisse der Prozessberechnung

Thermische Belastung 248,2kW

Der Filmwärmeübergangskoeffizient im Rohrdurchgang 371,0/W·(m2·K)-1

Der Film-Wärmeübergangskoeffizient im Manteldurchgang 2872,3/W·(m2·K)-1

Der Gesamtfilm-Wärmeübergangskoeffizient (sauber) 328,6/W·(m2·K)-1

Der Gesamtfilm-Wärmeübergangskoeffizient (Ablagerung) 286,3/W·(m2·K)-1

logarithmische mittlere Temperaturdifferenz 32,5/oC

Effektive mittlere Temperaturdifferenz 29,0/oC

Korrekturfaktor der Temperaturdifferenz 0,895

Der Gesamtdruckabfall im Rohrdurchgang 17,7/kPa

Der Gesamtdruckabfall im Manteldurchgang 0,6/kPa

Wärmeübertragungsfläche (Berechnung) 29,9/ m2

Wärmeübertragungsfläche (Auslegung) 74,5/m2

Der Reichtum an Wärmeübertragungsfläche 149,5%

Tabelle: Strukturparameter des Wärmetauschers

Schalendurchmesser 0,6m

Typ Twist Flachrohr

Anzahl der Wärmeübertragungsrohre/

Anzahl der Rohrdurchgänge 158/6

Spezifikation Φ25×2,5mm

Länge 6m

Rohrabstand 32mm

Lokalisieren Sie den Typ Rotierende Quadrate 

Blei 250mm

Anzahl der Granatendurchgänge 1

Art der Strömungsleitplatte Keine

Wärmeübertragungsfläche 75m2

Auslassdurchmesser des Rohrdurchgangs 150mm

Auslassdurchmesser der Mantelseite 150mm

Strukturdesign:

Wie ein herkömmlicher Wärmetauscher mit Bogenleitblech besteht der Wärmetauscher mit verdrehtem Flachrohr aus Bündel, Mantel, Rohrkasten, schwimmender Kopfabdeckung und äußerer Kopfabdeckung. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Struktur des Wärmeübertragungsrohrs und des Rohrbündels sowie anderer Teile wie fester Rohrboden, schwimmender Rohrboden und Saugrohr genau gleich ist.

Die beiden Enden des verdrehten Flachrohrs bleiben gerade, was die Montage des Wärmeübertragungsrohrs und den Anschluss des Rohrbodens erleichtert. Jeder Querschnitt der verdrehten Flachrohre ist oval, die lange und die kurze Achse werden durch die Rohrteilung bestimmt.

Sie können sich gegenseitig stützen, indem sie sich auf die Punkte der äußeren Spirale stützen; jedes Rohr hat vier Kontaktpunkte mit den vier umgebenden Rohren. Der Rest kann analog abgeleitet werden, indem man davon ausgeht, dass sie sich gegenseitig stützen und als selbsttragend funktionieren. Und die Richtung des rotierenden Rohrs muss in jedem Querschnitt einheitlich sein, um sicherzustellen, dass das Medium spiralförmig durch den Mantel fließt.

Da es sechs Rohrdurchgänge gibt, befindet sich an der Stelle der Trennwand kein Rohr im Manteldurchgang. Wenn eine seitliche Stütze fehlt, verliert es das Gleichgewicht und es kann zu Leckströmungen und Kurzschlüssen kommen. Aus diesem Grund wurde die Trennwand entwickelt.

Da das Rohrbündel 6 Meter lang ist und stark durchbiegt, kann es ohne Prallplatte während des Betriebs zu Rohrvibrationen und -kollaps kommen, was die Lebensdauer der Ausrüstung beeinträchtigt. Daher wurden 8 Gruppen von Stahlgurten außerhalb der Rohrbündel angebracht, um ein Lösen der Rohrbündel zu verhindern und ihre Integrität zu stärken. Jedem Stahlgurt ist eine ringförmige Prallplatte hinzugefügt, deren Außendurchmesser 4 bis 5 mm beträgt und damit kleiner ist als der Innendurchmesser des Gehäuses. Von oben nach unten wurden vier Gleitkanäle der Prallplatte geöffnet, sodass zwei Sätze von Gleitdämpfern vertikal entlang des Rohrbündels eingebettet sind. Dies kann ein Auslaufen durch Bypass verhindern und das Einführen des Rohrbündels in das Gehäuse erleichtern.

Am Einlass und Auslass des Rohrbündels befindet sich ein Zugzylinder. Erstens kann er den Flüssigkeitsstaubereich verringern, der durch den Spalt zwischen Rohr und Rohrboden entsteht, und die effektive Wärmeübertragungslänge des Rohrs erhöhen; zweitens kann er eine Stützfunktion für das Rohrbündel übernehmen. Schließlich kann er die Erosion der Flüssigkeit am Wärmeübertragungsrohr verringern.

Da die zylindrische Querschnittsgröße des verdrillten Flachrohrs größer ist als die des blanken Rohrs, liegen die Rohre nach der Bündelmontage näher am Einlass und Auslass, was die Zirkulationsoberfläche verringert und den Druckabfall erhöht. Um dieses Problem zu lösen, sind die folgenden Maßnahmen möglich:

Eine Reihe von Rohren bleibt vom Ende nahe dem Einlass und Auslass 500 mm lang gerade, die Länge des Spiralabschnitts ist leicht reduziert, was sich kaum auf die Wärmeübertragungsleistung auswirkt, aber den Abstand von hier zum Abschnitt und zur Strömungsfläche des Rohrs im Tank vergrößert und den Druckabfall verringert. Das Öffnen vieler kleiner Löcher am Zugzylinder kann den Druckabfall am Einlass und Auslass ebenfalls verringern.

Bei dieser Konstruktion wird das Festigkeitsschweiß- und Expansionsverfahren verwendet, um nicht nur die Festigkeit der Verbindung von Rohr und Rohrplatte sicherzustellen, sondern auch die Dichtungsleistung zu gewährleisten und Spaltkorrosion zu vermeiden.

Bis Ende 1998 wurden die beiden Geräte verwendet. Sie liefen bisher gut und wurden von den Benutzern gelobt. Anschließend benötigt das Normaldruckgerät in der Lanzhou-Raffinerie viele Wärmetauscher. Zu den Verarbeitungsmedien gehören Rohöl, normales Vierlinienöl, Vierschnittöl, Fünfschnittöl, Sechsschnittöl und Schlamm usw. mit hoher Viskosität. Nach Abschluss der Prozessgestaltung und Auswahlberechnungen verringert sich sein Durchmesser im Vergleich zu herkömmlichen Wärmetauschern um 1 bis 2 Ebenen, wodurch etwa 30 % der Investition eingespart werden können.