OPTIFLOW

Modellgestützte Strömungsoptimierung zur Foulingreduktion in Rohrbündelwärmeübertragern

Bearbeiter:                    Dipl.-Ing. Valentin Scheffel

Laufzeit:                         01.08.2024 – 31.01.2027

Förderinstitution:        EFRE/JTF-Förderrichtlinie Energie und Klima – FRL EuK/2023

Kurzbeschreibung:        

Rohrbündelwärmeübertrager spielen eine zentrale Rolle in verfahrenstechnischen Prozessen. Ihre Optimierung birgt ein großes Potenzial zur Reduzierung von Kosten und Treibhausgasemissionen. Fouling, also die Verschmutzung von Rohrbündelwärmeübertragern, führt zu Leistungseinbußen, die durch erhöhte Brennstoffmengen kompensiert werden müssen. Die daraus resultierenden Emissionen aller Raffinerien weltweit werden für das Jahr 2009 auf ca. 88 Mio. t CO2-Äq p.a. geschätzt. Frühere Untersuchungen mittels CFD-Simulationen haben gezeigt, dass die ungleichmäßige Durchströmung der Rohre zu stark schwankenden Geschwindigkeitsverteilungen führt, was verstärktes Fouling in langsam durchströmten Rohren verursacht. Einflussgrößen wie die Rohrbündelquerschnittsfläche (summierte Fläche der Rohre), die Querschnittsfläche des Einlaufstutzens, der Massenstrom und die Positionierung des Einlaufstutzens an der Verteilerkammer wurden als wichtige Faktoren für weitere Untersuchungen eingestuft.

Projektziel:

Ziel dieses Projektes ist es, durch Experimente an einem Technikumswärmeübertrager sowie durch den Einsatz von CFD-Modellrechnungen (Computational Fluid Dynamics) bestehende Richtlinien für Rohrbündelwärmeübertrager zu verbessern und maßgeschneiderte Lösungen zur Foulingminimierung und Leistungsoptimierung zu entwickeln. Hierbei sollen die Ergebnisse durch Versuche an einem Rohrbündelwärmeübertrager im Technikumsmaßstab validiert werden. Dadurch können Kosten gesenkt und Treibhausgasemissionen, welche durch ineffiziente Rohrbündelwärmeübertrager zusätzlich entstehen, reduziert werden.

Verwendete Versuchsanlagen/besondere Anschaffungen:

Zur Untersuchung der ungleichmäßigen Durchströmung in einem Rohrbündelwärmeübertrager soll eine Kombination aus CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) und einem gläsernen Rohrbündelwärmeübertrager genutzt werden. Die Versuche am Technikumswärmeübertrager dienen zur Validierung der ermittelten Simulationsdaten.

Berichte, Publikationen, Patente oder andere Schutzrechte:

R. Schab, A. Kutschabsky, S. Unz, and M. Beckmann, "Numerical investigation of tubeside maldistribution in shell-and-tube heat exchangers," Heat and Mass Transfer, 2023, doi: 10.1007/s00231-023-03385-5.

R. Schab, T. Dorau, S. Unz, and M. Beckmann, "Parameter Study of Geometrically Induced Flow Maldistribution in Shell and Tube Heat Exchangers," Journal of Thermal Science and Engineering Applications, vol. 14, no. 10, 2022, doi: 10.1115/1.4053633.

R. Schab, T. Dorau, M. R. Malayeri, S. Unz, and M. Beckmann, FlowEnhancer - A Shell-and-tube heat exchanger enhancement that increases Energy Efficiency in the Oil, Gas, Power & Chemical Process Sectors | FlowEnhancer Project | Fact Sheet | H2020 | CORDIS | European Commission. [Online]. Available: https://cordis.europa.eu/project/id/831040 (accessed: Jul. 8 2022).

T. Dorau, R. Schab, S. Unz, R. M. Malayeri, and M. Beckmann, "Impact of flow maldistribution in Shell-and-tube heat exchangers," Proceedings of the 12th European Conference on Industrial Furnaces and Boilers, 2020. [Online]. Available: https://infub.pt/Geral/paginas.aspx?cod=138

D. Sumsion et al., "Flow maldistribution in shell and tube heat exchangers," Q4, pp. 85–89, 2019. [Online]. Available: www.eptq.com

Weiterführende Informationen:

Verband Deutscher Ingenieure (VDI), Ed., VDI-Wärmeatlas: Fachlicher Träger VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, 12th ed. Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg, 2019.

Tubular Exchanger Manufacturers Association, TEMA 9th ED. Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association, 2007. Accessed: Jul. 30 2020. [Online]. Available: https://tema.org/