Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul GVLV führt die Schwingungsanalyse für Rohrbündel von Rohrbündelwärmeübertragern durch. Es wird vom Auslegungsmodul WTS im Hintergrund angesteuert und ist nicht separat aufrufbar; die Ergebnisse werden an WTS übergeben und dort dokumentiert. Untersucht wird, ob die mantelseitige Queranströmung der Rohre strömungsinduzierte Schwingungen anregen kann.
Strömungsinduzierte Rohrschwingungen sind eine der häufigsten Schadensursachen an Rohrbündelapparaten: Fluidelastische Instabilität, Wirbelablösung und turbulente Anregung führen zu Rohrbrüchen an den Umlenkblechdurchführungen, zu Verschleiß in den Blechbohrungen und zu Leckagen an der Rohreinwalzung. Die Analyse vergleicht daher die Eigenfrequenzen der Rohre – abhängig von Stützweiten, Rohrgeometrie und Zusatzmassen durch das Fluid – mit den Anregungsmechanismen der Querströmung und prüft insbesondere die kritische Geschwindigkeit der fluidelastischen Instabilität.
Vom Berechnungsumfang ausgenommen sind Übertrager mit zwei mantelseitigen Durchgängen und Längsleitblech (TEMA-Typ F), Bündel mit Kreisring-/Kreisscheiben-Umlenkblechen (disc and doughnut) sowie außen niedrigberippte Rohre.
So läuft die Berechnung ab
- Datenübernahme aus WTS: Geometrie- und Betriebsdaten – Rohrabmessungen, Rohrteilung, Umlenkblechabstände, mantelseitige Strömungsgeschwindigkeiten und Stoffwerte – werden aus der thermisch-hydraulischen Auslegung in WTS übernommen; eine separate Eingabe entfällt.
- Eigenfrequenzen der Rohre bestimmen: Die Rohre werden als mehrfeldrige Balken mit den Umlenkblechen als Stützstellen betrachtet. In die Eigenfrequenz gehen Biegesteifigkeit, Rohrmasse einschließlich Fluidinhalt und die mitschwingende hydrodynamische Masse des Außenmediums ein; die größten Stützweiten – oft in den Fensterzonen – sind maßgebend.
- Anregungsmechanismen auswerten: Für die maßgebenden Querstromgeschwindigkeiten werden die Anregungsarten geprüft: fluidelastische Instabilität (kritische Geschwindigkeit nach dem Stabilitätskriterium), Wirbelablösung mit Resonanzabgleich der Strouhal-Frequenz und turbulente Buffeting-Anregung; bei Gasen zusätzlich akustische Resonanz des Mantelraums.
- Nachweis führen: Die vorhandenen Geschwindigkeiten werden den kritischen Werten gegenübergestellt und die Frequenzabstände bewertet. Die Ergebnisse gehen an WTS zurück und erscheinen dort in der Dokumentation.
- Konstruktive Konsequenzen ableiten: Bei Überschreitungen sind typische Abhilfen: kleinere Umlenkblechabstände oder Zwischenstützen, geänderte Rohrteilung, Impingement-Schutz am Eintrittsstutzen, größere Stutzen oder eine geänderte Umlenkblechgeometrie – die Bewertung erfolgt danach erneut.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Mantelaußendurchmesser | Da | m |
| Mantelaußendurchmesser längs zu den Rohren | Da,y | m |
| Mantelinnendurchmesser | Di | m |
| Mantelinnendurchmesser längs zu den Rohren | Di,y | m |
| Kompensatordurchmesser | DK | m |
| Rohraußendurchmesser | da | m |
| Rohrinnendurchmesser | di | m |
| Rohrlänge zwischen den Rohrplatten | L | m |
| Dicke der Rohrplatte vorne | s | m |
| Dicke der Rohrplatte hinten | s | m |
| Bauform | Wärmeübertragers | - |
| Durchmesser | DU | m |
| Durchmesser längs zu den Rohren | DU,y | m |
| Anzahl | nU | - |
| Blechdicke | sU | m |
| Abstand der Umlenkbleche | Umlenkbleche | m |
| Abstand Boden 1. Umlenkblech | Umlenkblech | m |
| Fensterhöhe | H | m |
| Durchmesser der Bohrungen | dB | m |
| Innendurchmesser des Eintrittsstutzens | Ds,e | m |
| Innendurchmesser Eintrittsstutzen längs zu den Rohren | Ds,e,y | m |
| Innendurchmesser des Austrittsstutzens | Ds,a | m |
| Innendurchmesser Austrittsstutzen längs zu den Rohren | Ds,a,y | m |
| Lichter Abstand Rohrplatte - Stutzenmitte Eintritt | vorne | m |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Anzahl der untersuchten Eigenfrequenzen | i | - |
| _Rohrreihen-Nr. der belastetsten Rohrreihe für Fluidelastische Instabilität | Instabilität | - |
| _Rohrreihen-Nr. der zweit belastetsten Rohrreihen für Fluidelastische Instabilität | Instabilität | - |
| _Rohrreihen-Nr. der dritt belastetsten Rohrreihen für Fluidelastische Instabilität | Instabilität | - |
| Eigenfrequenz der Rohrreihe mit dem höchsten Gefährdungsgrad K* | Instabilität | 1/s |
| _Gefaehrdungsgrad der belastetsten Rohrreihe bei Fluidelastischer Instabilität | Instabilität | % |
| _Gefaehrdungsgrad der zweit belastetsten Rohrreihe bei Fluidelastischer Instabilität | Instabilität | % |
| _Gefaehrdungsgrad der dritt belastetsten Rohrreihe bei Fluidelastischer Instabilität | Instabilität | % |
| Maximale kritische Spaltgeschwindigkeit | Instabilität | m/s |
| Kritischer Eintrittsvolumenstrom | Instabilität | m³/h |
| Ergebnis Rohrbündel Gefaehrdet bei Fluidelastischer Instabilität | Instabilität | - |
| Ergebnis Rohrbündel Gefaehrdet bei stochastischer, periodischer Anregung | Anregung | - |
| _Schwingmode-Nr. i für die gefährdeste Rohrreihe bei Fluidelastischer Instabilität | Instabilität | - |
| _Nummer der belastetsten Rohrreihen bei stochastischer, periodische Anregung | Anregung | - |
| _Nummer der zweit belastetsten Rohrreihen bei stochastischer, periodische Anregung | Anregung | - |
| _Nummer der dritt belastetsten Rohrreihen bei stochastischer, periodische Anregung | Anregung | - |
| _Wirbelerregung-Amplitude bei stochastischer, periodische Anregung | Anregung | % |
| _Wirbelerregung-Amplitude bei stochastischer, periodische Anregung | Anregung | % |
| _Wirbelerregung-Amplitude bei stochastischer, periodische Anregung | Anregung | % |
| _Turbulenzerregung-Amplitude bei stochastischer, periodische Anregung | Anregung | % |
| _Turbulenzerregung-Amplitude bei stochastischer, periodische Anregung | Anregung | % |
| _Turbulenzerregung-Amplitude bei stochastischer, periodische Anregung | Anregung | % |
| Strouhal-Zahl 1 | 1 | - |
| Strouhal-Zahl 2 | 2 | - |
Berechnungsoptionen
Bauform
Ohne Kompensator · Mit Kompensator · Schwimmkopf · Stopfbuchse · U-Rohre
Lage des Austrittsstutzens
unten · oben
Aggregatzustand
flüssig · 1
Bauform
Tube bundle heat exchanger (cylindrical shell) · Kreuzstrom-Wärmeübertrager (Rechteckiger Mantel)
Häufige Fragen
Warum ist die fluidelastische Instabilität der kritischste Anregungsmechanismus?
Oberhalb der kritischen Querstromgeschwindigkeit koppeln sich die Rohrbewegungen über das Strömungsfeld selbstverstärkend: Die Schwingungsamplituden wachsen nicht mehr begrenzt, sondern schaukeln sich bis zum Anschlagen der Rohre auf. Anders als bei Wirbelresonanz hilft kein „Durchfahren“ des kritischen Bereichs – die Auslegung muss sicherstellen, dass die kritische Geschwindigkeit nirgends im Bündel überschritten wird.
Warum sind TEMA-F-Übertrager und Kreisring-/Kreisscheiben-Umlenkbleche ausgenommen?
Beim TEMA-Typ F teilt ein Längsleitblech den Mantelraum, wodurch Leckströme über das Blech und asymmetrische Geschwindigkeitsfelder entstehen, die von den Standard-Strömungsmodellen nicht abgebildet werden. Kreisring-/Kreisscheiben-Bleche erzeugen ein radial gerichtetes Strömungsbild, für das die üblichen Querstrom-Korrelationen der Schwingungsanalyse nicht gelten. Für diese Bauformen ist eine gesonderte Betrachtung erforderlich.
Welche Stellen des Bündels sind am schwingungsgefährdetsten?
Die Rohrfelder mit den größten Stützweiten und den höchsten Querstromgeschwindigkeiten: die Fensterzonen der Umlenkbleche, die U-Bögen von U-Rohr-Bündeln (große freie Länge, geringe Steifigkeit) und der Bereich unter dem Eintrittsstutzen, wo die Anströmgeschwindigkeit am höchsten ist. Dort beginnen typischerweise auch die Schäden.
Was bedeutet akustische Resonanz bei gasdurchströmten Mantelräumen?
In Gasströmungen können sich stehende Schallwellen quer zum Mantel ausbilden. Fällt deren Eigenfrequenz mit der Wirbelablösefrequenz an den Rohren zusammen, entsteht ein intensiver Heulton mit hohen Schalldruckpegeln, der Bleche und Rohre zusätzlich belastet. Abhilfe schaffen Entkopplungsbleche (Detuning-Baffles) parallel zur Strömungsrichtung.