Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul TEMA prüft die konstruktiven Anforderungen der TEMA-Standards an Rohrbündelwärmeübertrager: zulässige Spalte zwischen Rohrbündel und Mantel je nach TEMA-Typ (fester Rohrboden, U-Rohr, Schwimmkopf), minimale und maximale Umlenkblechabstände, Umlenkblechdurchmesser und Bohrungsspiele, Mindestanzahl und Durchmesser der Zuganker sowie Rohrteilung und Teilungswinkel. Zusätzlich wird geprüft, ob am Manteleintritt eine Prallplatte erforderlich ist, und deren empfohlener Abstand zum Stutzen ermittelt.
Diese Geometrieregeln sind das Rückgrat jeder TEMA-konformen Konstruktion: Sie stellen sicher, dass das Bündel montierbar bleibt, die Umlenkbleche die Rohre ausreichend stützen (Schwingungs- und Durchbiegungsbegrenzung), Bypass-Ströme zwischen Bündel und Mantel begrenzt werden und der Eintrittsstrahl die ersten Rohrreihen nicht durch Tropfenschlag und Erosion beschädigt. Das Kriterium für die Prallplatte basiert auf dem Staudruckprodukt ρv² des eintretenden Mediums.
In der Praxis nutzt man das Modul bei der Vordimensionierung — etwa um aus Mantelinnendurchmesser und TEMA-Typ den Bündeldurchmesser und die effektiven Rohrlängen für Wärmeübergangs- und Druckverlustrechnung zu bestimmen — und bei der Konstruktionsprüfung vor der Fertigung.
Regelwerk und Berechnungsbasis: TEMA Standards
So läuft die Berechnung ab
- TEMA-Typ und Hauptabmessungen festlegen: Aus TEMA-Typ (z. B. BEM, BEU, AES), Betriebsdruck und Mantelinnendurchmesser folgt das zulässige diametrale Spiel zwischen Bündel und Mantel und damit der maximale Bündeldurchmesser.
- Wirksame Rohrlängen bestimmen: Aus realer Rohrlänge und Dicke der Rohrböden werden die freie Rohrlänge, die effektive Rohrlänge für den Wärmeübergang und die effektive Durchflusslänge für den Druckverlust abgeleitet — die zentralen Eingangsgrößen für die thermohydraulische Auslegung.
- Prallplattenbedarf am Eintritt prüfen: Aus Massenstrom, Dichte und Stutzenquerschnitt wird die Eintrittsgeschwindigkeit berechnet und das Produkt ρv² mit den TEMA-Grenzwerten verglichen; bei Überschreitung ist eine Prallplatte (oder ein vergrößerter Stutzen bzw. Verteilerdom) vorzusehen, deren Abstand zum Stutzen empfohlen wird.
- Umlenkblechteilung festlegen: TEMA begrenzt den Umlenkblechabstand nach unten (Fertigung, Fensterströmung) und nach oben (maximale unverstützte Rohrlänge in Abhängigkeit von Rohrdurchmesser und Werkstoffgruppe Fe bzw. Al/Cu); daraus folgen minimale und maximale Anzahl der Umlenkbleche sowie deren maximaler Durchmesser und der empfohlene Bohrungsdurchmesser.
- Zuganker und Rohrteilung prüfen: Abschließend werden Mindestanzahl und Durchmesser der Zuganker in Abhängigkeit vom Manteldurchmesser sowie Rohrteilung quer und längs zur Strömungsrichtung samt Teilungswinkel gegen die TEMA-Mindestwerte geprüft.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| TEMA-Typ | T=5 | - |
| Betriebsdruck | ptotal | Pa |
| Mantelinnendurchmesser | Di | m |
| Reale Rohrlänge | Lto | m |
| Dicke der Böden | Lts | m |
| Innendurchmesser des Eintrittsstutzens | Dns | m |
| Massenstrom im Manteleintritt ṁMantel | MMantel | kg/s |
| Dichte des Fluids auf der Mantelseite | ρ | kg/m³ |
| Prallplatte eingebaut (nein / ja) | 1=ja) | – |
| Außendurchmesser der Rohre | Dra | m |
| Materialgruppe (Fe, Al/Cu) Material | 2=Al/Cu) | – |
| Abstand Rohrboden - 1. Umlenkblech (Eintritt) | Lbi | m |
| Abstand Rohrboden - 1. Umlenkblech (Austritt) | Lbo | m |
| Rohrteilung quer zur Strömungsrichtung | s1 | m |
| Teilungswinkel | Φ | ° |
| Abstand zwischen dem Rohrbündel und dem Mantel (diametral) | Lbb = Di-Db Lbb | m |
| Bündeldurchmesser | Db | m |
| Freie Rohrlänge ohne Böden | Lti | m |
| Effektive Rohrlänge für Wärmeübergang | Lta | m |
| Effektive Durchflusslänge für Druckverlust | Ltt | m |
| Reale Strömungsgeschwindigkeit im Stutzen | wn | m/s |
| Maximal zulässige Strömungsgeschwindigkeit | wn,max | m/s |
| Empfohlener Abstand der Prallplatte zum Stutzen | Lns | m |
| Minimaler Abstand der Umlenkbleche | Lbc,min | m |
Berechnungsoptionen
TEMA-Typ
L, M, N (Zwei feste Rohrplatten) · U (U-Rohrbündel) · S (Schwimmkopf mit Gegenhalter) · P (Außen dichtgepackter Schwimmkopf ) · T (Durchgezogener Schwimmkopf)
Prallplatte eingebaut (nein / ja)
Nein · Ja
Materialgruppe (Fe, Al/Cu) Material
1 · 2
Gelöstes Beispiel
Für den Manteleintritt eines Rohrbündelwärmeübertragers ist zu prüfen, ob nach TEMA eine Prallplatte erforderlich ist. Mantelseitig strömt Wasser (einphasig, nicht korrosiv, nicht abrasiv) ein.
Gegebene Werte
| Innendurchmesser Eintrittsstutzen di | 150 mm |
| Massenstrom mantelseitig ṁ | 25 kg/s |
| Dichte des Fluids ρ | 998 kg/m³ |
| TEMA-Grenzwert ρv² (einphasig, nicht korrosiv/abrasiv) | 2 232 kg/(m·s²) |
Lösungsweg
Strömungsgeschwindigkeit im Stutzen
Stutzenquerschnitt: A = (π/4) · di² = (π/4) · 0,150² = 0,01767 m²
v = ṁ/(ρ · A) = 25/(998 · 0,01767) = 1,42 m/s
Staudruckprodukt und Vergleich mit dem TEMA-Kriterium
ρ · v² = 998 · 1,42² ≈ 2 005 kg/(m·s²)
2 005 < 2 232 kg/(m·s²) (entspricht 1 500 lb/(ft·s²)) — der Grenzwert für nicht korrosive, nicht abrasive Einphasenströmung ist eingehalten.
Bewertung
Eine Prallplatte ist nach dem ρv²-Kriterium nicht erforderlich. Die Reserve ist mit rund 10 % allerdings gering: Bei einer künftigen Durchsatzerhöhung oder bei abrasiven Anteilen im Medium (Grenzwert dann 744 kg/(m·s²)) wäre Prallschutz vorzusehen.
Ergebnis
| Strömungsgeschwindigkeit im Stutzen | 1,42 m/s |
| Staudruckprodukt ρv² | ≈ 2 005 kg/(m·s²) |
| Prallplatte erforderlich? | Nein (Grenzwert 2 232 kg/(m·s²) eingehalten) |
Alle Werte sind beispielhaft. Maßgeblich sind das jeweils gültige Regelwerk und die projektspezifischen Randbedingungen.
Häufige Fragen
Warum unterscheiden sich die zulässigen Bündel-Mantel-Spalte je nach TEMA-Typ?
Der Spalt folgt aus der Montage: Ein festes Rohrbündel (fixed tubesheet) wird mit dem Mantel verschweißt und braucht nur Fertigungsspiel — der Spalt ist klein. Ein ziehbares Schwimmkopfbündel muss samt Schwimmkopfflansch durch den Mantel passen, der Spalt ist entsprechend groß. Thermisch ist ein großer Spalt nachteilig, weil der Bypass-Strom zwischen Bündel und Mantel nicht an den Rohren vorbeigeführt wird; deshalb werden bei großen Spalten Leitbleche (sealing strips) vorgesehen.
Wann verlangt TEMA eine Prallplatte am Manteleintritt?
Wenn das Staudruckprodukt ρv² im Eintrittsstutzen die Grenzwerte überschreitet — für nicht korrosive, nicht abrasive Einphasenströmung gilt ein höherer Grenzwert als für alle übrigen Medien; bei Zweiphasenströmung und gesättigten Dämpfen ist grundsätzlich Prallschutz vorzusehen. Die Prallplatte schützt die ersten Rohrreihen vor Erosion und Schwingungsanregung, verengt aber den Eintrittsquerschnitt — deshalb muss der Abstand zwischen Platte und Stutzen groß genug bleiben, damit die Austrittsfläche um die Platte nicht zum Engpass wird.
Was begrenzt den maximalen Umlenkblechabstand?
Die maximal zulässige unverstützte Rohrlänge: Sie ist in TEMA nach Rohraußendurchmesser und Werkstoffgruppe (Stahl bzw. Al/Cu-Legierungen) tabelliert und verhindert unzulässiges Durchhängen sowie zu niedrige Eigenfrequenzen der Rohre. Zu beachten ist, dass Rohre in der Fensterzone nur an jedem zweiten Blech gestützt werden — ihre freie Länge ist doppelt so groß wie der Blechabstand. Die Schwingungssicherheit selbst ist damit noch nicht nachgewiesen; dafür ist eine gesonderte Analyse (z. B. Modul RBSA) nötig.
Welche Rolle spielen die Zuganker?
Zuganker und Distanzrohre fixieren das Umlenkblechpaket in Lage und Abstand — sie tragen keine Prozesslasten, sind aber montage- und schwingungstechnisch wichtig: Fehlen Zuganker oder sind sie zu dünn, verschieben sich Bleche beim Einschub des Bündels, und die Stützwirkung der Bleche geht teilweise verloren. TEMA gibt deshalb Mindestanzahl und Mindestdurchmesser in Abhängigkeit vom Manteldurchmesser vor.