Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul stellt die Hydraulikbilanz für vertikale, rohrseitig beheizte Verdampfer (Naturumlauf- bzw. Thermosiphon-Reboiler) nach dem VDI-Wärmeatlas auf. Bei diesen Apparaten wird der Umlauf nicht von einer Pumpe, sondern vom Dichteunterschied zwischen der Flüssigkeitssäule im Fallrohr und dem Zweiphasengemisch in den beheizten Rohren angetrieben. Die Berechnung ermittelt den sich einstellenden Umlaufmassenstrom aus dem Gleichgewicht zwischen treibendem Höhenunterschied und den Druckverlusten des Kreislaufs.
In der Verfahrenstechnik ist diese Hydraulikbilanz der Kern jeder Thermosiphon-Auslegung an Destillations- und Rektifikationskolonnen: Nur wenn Umlaufstrom, Dampfgehalt am Rohraustritt und Wärmeübergang zusammenpassen, arbeitet der Verdampfer stabil. Ein zu geringer Umlauf führt zu Dryout und Fouling in den Rohren, ein ungünstig gewähltes Flüssigkeitsniveau zu Instabilitäten wie Geysering oder Pulsationen.
Das Modul verknüpft dazu die Zweiphasen-Druckverlustberechnung mit der Siedewärmeübergangsrechnung nach VDI-Wärmeatlas und unterstützt verschiedene Bauformen des vertikalen rohrseitigen Verdampfers.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI-Wärmeatlas
So läuft die Berechnung ab
- Bauform und Geometrie festlegen: Zunächst werden Bauform des Verdampfers, Rohrabmessungen, Rohranzahl, beheizte Länge sowie die Höhenlage von Flüssigkeitsstand und Rücklaufleitung definiert – sie bestimmen die treibende Höhe des Naturumlaufs.
- Treibendes Druckgefälle bestimmen: Aus dem Flüssigkeitsstand im Abscheider bzw. Kolonnensumpf ergibt sich der hydrostatische Druck am Rohreintritt; ihm steht das geringere Gewicht der zweiphasigen Gemischsäule in den beheizten Rohren gegenüber. Die Differenz ist das treibende Druckgefälle des Umlaufs.
- Druckverluste des Kreislaufs berechnen: Für einen angenommenen Umlaufmassenstrom werden die Einzelwiderstände bilanziert: Reibungs- und Einbautenverluste im Zulauf, einphasige Aufheizzone, Zweiphasen-Reibungsdruckverlust und Beschleunigungsdruckverlust in der Verdampfungszone sowie die Verluste der Dampf-Flüssigkeits-Leitung zurück zur Kolonne.
- Umlaufmassenstrom iterieren: Der Umlaufmassenstrom wird so lange variiert, bis treibendes Druckgefälle und Summe der Druckverluste im Gleichgewicht stehen. Parallel wird der Siedebeginn in den Rohren neu berechnet, da die Aufheizzone vom Massenstrom abhängt.
- Betriebspunkt prüfen: Am konvergierten Betriebspunkt werden Austrittsdampfgehalt, Wärmeübergang und Stabilität bewertet: Der Dampfgehalt am Rohraustritt soll in einem robusten Bereich liegen, um sowohl Dryout als auch instabilen Umlauf zu vermeiden.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Abstand Kolonnenaußenwand - Außenwand Tauscher | S1 | m |
| Abstand Dampfeintrittsst. - Flüssigkeitsoberfläche | S3 | m |
| Abstand Kolonnenboden - Flüssigkeitsoberfläche | S4 | m |
| Abstand Kolonnenboden - Flüssigkeitsaustrittsstutzen | S6 | m |
| Abstand Wärmeübertragerende - Rohrboden | Sh | m |
| Rohrlänge | L | m |
| Rohrinnendurchmesser | di | mm |
| Rohraußendurchmesser | da | mm |
| Anzahl der Rohre | n | - |
| Flüssigkeitsaustrittsstutzen der Kolonne | WKA | - |
| Flüssigkeitseintrittsstutzen des Übertragers | WTE | - |
| Rohrbögen und T-Stücke | WB1 | - |
| Ventile | WV1 | - |
| Summe der Widerstandsbeiwerte | W1 | - |
| Dampfeintrittsstutzen der Kolonne | WKE | - |
| Dampfaustrittsstutzen des Wärmeübertragers | WTA | - |
| Rohrbögen und T-Stücke im vertikalen Teil | WB2v | - |
| Ventile im vertikalen Teil | WV2v | - |
| Summe der Widerstandsbeiwerte vertikal | W2v | - |
| Rohrbögen und T-Stücke im horizontalen Teil | WB2h | - |
| Ventile im horizontalen Teil | WV2h | - |
| Summe der Widerstandsbeiwerte horizontal | W2h | - |
| Eintrittstemperatur des verdampfenden Medium | Tin | °C |
| Dynamische Viskosität des Dampfes | ηD | kg/(m·s) |
Berechnungsoptionen
Bauform
-Stutzen am Kolonneneintritt- · - Stutzen am Kolonneneintritt / Vakuumbetrieb bzw. Neigung der DDK > 0.013°C/kPa - · -Perforiertes Rohr am Kolonneneintritt- · - Perforiertes Rohr am Kolonneneintritt / Vakuumbetrieb bzw. Neigung der DDK > 0.013°C/kPa -
Häufige Fragen
Warum ist der Austrittsdampfgehalt beim Thermosiphon-Reboiler so wichtig?
Der Dampfgehalt am Rohraustritt ist die zentrale Kontrollgröße: Bei zu hohem Dampfgehalt trocknet der Flüssigkeitsfilm in den oberen Rohrbereichen aus (Dryout), der Wärmeübergang bricht ein und Fouling nimmt zu. Bei sehr kleinem Dampfgehalt ist die treibende Dichtedifferenz gering und der Umlauf wird träge. In der Praxis wird häufig auf moderate Austrittsdampfgehalte im Bereich von etwa 10 bis 30 % ausgelegt, abhängig von Stoffsystem und Druck.
Welche Rolle spielt das Flüssigkeitsniveau im Kolonnensumpf?
Das Niveau bestimmt die treibende Höhe des Naturumlaufs. Üblich ist ein Niveau etwa in Höhe des oberen Rohrspiegels; ein deutlich niedrigeres Niveau reduziert den Umlauf und verschiebt den Siedebeginn nach unten, ein zu hohes Niveau kann die Verdampfung unterdrücken. Da das Niveau im Betrieb schwankt, sollte die Hydraulikbilanz für den Auslegungspunkt und für Grenzniveaus geprüft werden.
Warum kann ein Thermosiphon-Verdampfer instabil werden?
Naturumlaufsysteme können zu Dichtewellen-Oszillationen und Geysering neigen, besonders bei Vakuumbetrieb, kleinen treibenden Höhen oder großer unterkühlter Zulaufzone: Verdampfungsbeginn und Druckverlust koppeln sich dann periodisch. Abhilfe schaffen eine Drossel im Zulauf, angepasstes Niveau oder geänderte Rohrgeometrie – die Hydraulikbilanz liefert die Grundlage für diese Bewertung.
Gilt die Berechnung auch für Zwangsumlaufverdampfer?
Das Grundprinzip der Druckverlustbilanz bleibt gleich, jedoch ersetzt beim Zwangsumlauf die Pumpenförderhöhe die Dichtedifferenz als treibende Größe; der Umlaufstrom ist dann weitgehend aufgeprägt. Dieses Modul ist auf den Naturumlauf in vertikalen rohrseitigen Verdampfern zugeschnitten.