Rohrbündelwärmeübertrager: Aufbau, Bauformen und Einsatzgebiete

Wie ein Rohrbündelwärmeübertrager arbeitet

Ein Rohrbündelwärmeübertrager überträgt Wärme zwischen zwei Medien, die durch eine feste Wand getrennt sind. Das eine strömt durch die Rohre, das andere umspült sie im Mantel. Die Rohrwand nimmt auf der einen Seite Wärme auf und gibt sie auf der anderen wieder ab; solange sie intakt ist, kommen die Medien nicht miteinander in Berührung.

Verbreitet ist die Bauart vor allem dort, wo Anlagen kontinuierlich Wärme übertragen und robuste, an die Prozessbedingungen anpassbare Apparate gefragt sind. Je nach Ausführung kann ein Rohrbündelwärmetauscher Flüssigkeiten, Gase oder Dampf führen. Welche Bauform passt, hängt unter anderem von Temperatur, Druck, Beschaffenheit der Medien, Platzangebot sowie den Anforderungen an Reinigung und Wartung ab. Wie sich Rohrbündelapparate gegenüber Platten- und Spiralwärmeübertragern einordnen, zeigt der Vergleich der Bauarten von Wärmeübertragern.

Aufbau und zentrale Bauteile

Das Grundprinzip ist ein drucktragender Mantel mit einem Bündel aus zahlreichen Rohren darin. Im Detail unterscheiden sich die Konstruktionen, doch einige Bauteile übernehmen in fast jedem Apparat dieselben Aufgaben:

• Mantel: Er umschließt das Rohrbündel und führt das Medium, das außen an den Rohren entlangströmt. Ein- und Austrittsstutzen verbinden den Apparat mit der Anlage.
• Rohre: Sie bilden die wärmeübertragende Fläche. Durch ihr Inneres fließt das rohrseitige Medium.
• Rohrböden: Sie halten die Rohre an ihren Enden und trennen die Rohrseite vom Mantelraum. Die Verbindung zwischen Rohr und Rohrboden muss den jeweiligen Betriebsbedingungen gewachsen sein.
• Umlenk- oder Leitbleche: Sie lenken das mantelseitige Medium durch den Mantelraum und stützen je nach Bauart das Rohrbündel. Die Strömungsführung beeinflusst Wärmeübertragung und Druckverlust.
• Deckel und Verteiler: Sie führen das Medium den Rohren zu und sammeln es wieder. Bei unterteilten Deckeln durchströmt es das Bündel mehrmals.

Bei der Auslegung werden unter anderem Wärmeleistung, Übertragungsfläche und Strömungswiderstand betrachtet. Auch die Werkstoffwahl spielt eine Rolle: Sie muss zu den Medien und zu den thermischen und mechanischen Belastungen passen. Ablagerungsneigung und Korrosionsrisiken können die Ausführung ebenfalls beeinflussen.

Bauformen im Überblick

Unterscheiden lassen sich Rohrbündelwärmeübertrager vor allem danach, wie das Bündel im Mantel befestigt ist und wie Rohre und Mantel auf Temperaturänderungen reagieren können. Daraus ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten für Reinigung, Wartung und Einsatzbedingungen.

Festrohrboden-Ausführung

Bei dieser Bauform sind die Rohrenden fest mit beiden Rohrböden verbunden, das Bündel ist also konstruktiv eng an den Mantel gekoppelt. Die Ausführung ist vergleichsweise einfach aufgebaut und kommt infrage, wenn die Betriebsbedingungen eine solche feste Verbindung zulassen.

Die Außenseiten der Rohre sind bei dieser Konstruktion nicht ohne Weiteres zugänglich, was die Reinigung des Mantelraums erschwert. Ob die Bauform passt, hängt deshalb auch davon ab, welche Ablagerungen zu erwarten sind und wie die Instandhaltung organisiert werden soll.

U-Rohr-Ausführung

Beim U-Rohr-Wärmeübertrager sind die Rohre am hinteren Ende U-förmig gebogen, beide Rohrenden sitzen im selben Rohrboden. Die Rohre können sich bei Temperaturänderungen ausdehnen, ohne dass ein zweiter Rohrboden diese Bewegung behindert.

Bei geeigneter Konstruktion lässt sich das Bündel aus dem Mantel ziehen. Die Bögen sind von innen allerdings schwerer mechanisch zu reinigen als gerade Rohrabschnitte. Auch die Anordnung der Rohre und ihre Zugänglichkeit gehören deshalb in die Planung.

Schwimmkopf-Ausführung

Beim Schwimmkopf ist einer der beiden Rohrböden beweglich ausgeführt, sodass sich das Bündel gegenüber dem Mantel ausdehnen kann. Je nach Konstruktion lässt es sich herausnehmen, was den Zugang zur Rohr- und zur Mantelseite erleichtert.

Der bewegliche Abschluss braucht zusätzliche Bauteile und eine sorgfältige Abdichtung. Die Bauform lohnt sich daher vor allem dort, wo Wärmedehnung und Wartungsanforderungen eine solche Konstruktion rechtfertigen.

Strömungsführung und Wärmeübertragung

Die beiden Medien können im Gegenstrom, im Gleichstrom oder in einer Kombination mehrerer Strömungsrichtungen geführt werden. Im Gegenstrom bewegen sie sich über weite Strecken in entgegengesetzte Richtungen. Die gewählte Anordnung bestimmt, wie sich die Temperaturen entlang der Übertragungsfläche entwickeln und wie viel Fläche für die gewünschte Leistung nötig ist.

Auf der Rohrseite kann das Medium das Bündel einmal oder mehrmals durchlaufen; dazu teilen Trennungen im Deckel die Rohre in mehrere Durchgänge auf. Auf der Mantelseite bestimmen die Leitbleche den Weg des Mediums. Sie führen die Strömung stärker an den Rohren entlang, erzeugen aber auch Widerstand. Wie stark dieser ins Gewicht fällt, hängt zudem von den Stoffwerten ab, etwa von der höheren Viskosität eines Wasser-Glykol-Gemischs. Die Auslegung muss Wärmeübertragung und Druckverlust deshalb immer gemeinsam berücksichtigen.

Typische Einsatzgebiete

Rohrbündelwärmeübertrager finden sich in zahlreichen industriellen Prozessen, in denen Wärme zwischen getrennten Stoffströmen übertragen werden muss, etwa beim Erwärmen oder Kühlen von Prozessflüssigkeiten oder beim Beheizen mit Dampf.

In Energie- und Prozessanlagen arbeiten sie auch als Kondensatoren oder Verdampfer. Im Kondensator gibt ein Dampfstrom Wärme ab und verflüssigt sich; im Verdampfer nimmt ein Medium Wärme auf und geht ganz oder teilweise in die Dampfphase über. Welche Seite welches Medium führt, richtet sich nach Anlage und Prozess.

Auch in Anlagen mit wechselnder Last kommen Rohrbündelapparate zum Einsatz. Ob sie dort geeignet sind, hängt von den Betriebszuständen ab: Schwankende Temperaturen, Druckverhältnisse, Strömungsgeschwindigkeiten und Stoffeigenschaften müssen in die Auslegung einfließen. Für den Wärmeaustausch zwischen Luftströmen in Lüftungsanlagen werden dagegen andere Bauarten verwendet, wie der Beitrag zur Wärmerückgewinnung in der Lüftung zeigt.

Auswahl, Betrieb und Wartung

Vor der Auswahl sind die thermischen und mechanischen Anforderungen zu erfassen: Ein- und Austrittstemperaturen, benötigte Wärmeleistung, Medien, zulässiger Druckverlust und verfügbarer Einbauraum. Ebenso wichtig sind die Zugänglichkeit und die geplanten Reinigungsverfahren.

Ablagerungen auf den Rohroberflächen verschlechtern den Wärmeübergang und verändern den Strömungswiderstand. Die Konstruktion sollte deshalb zur Beschaffenheit der Medien und zum vorgesehenen Wartungskonzept passen. Reinigungsverfahren und -mittel müssen mit Werkstoffen und Dichtungen verträglich sein; welche Maßnahmen geeignet sind, sollten qualifizierte Fachleute festlegen.

Wesentlich für den Betrieb ist außerdem die Dichtheit zwischen Rohr- und Mantelseite. Anzeichen einer Undichtigkeit oder unerwartete Veränderungen der Betriebswerte gehören fachkundig untersucht. Wartungsintervalle und Prüfungen richten sich nach Anlage, Betriebsbedingungen und den geltenden Vorgaben.

Fazit

Rohrbündelwärmeübertrager verbinden ein Rohrbündel mit einem umgebenden Mantel und lassen sich an sehr unterschiedliche Medien und Prozessaufgaben anpassen. Festrohrboden-, U-Rohr- und Schwimmkopf-Ausführung unterscheiden sich vor allem in Wärmedehnung, Zugänglichkeit und Wartung. Für einen passenden Einsatz müssen Strömungsführung, Werkstoffe, Betriebsbedingungen und Instandhaltung gemeinsam betrachtet werden. Weitere Beiträge bündelt die Rubrik Wärmeübertragung.