Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul GGRI berechnet den außenseitigen Wärmeübergangskoeffizienten an niedrig berippten Rohren in Rohrbündelwärmeübertragern mit Segmentumlenkblechen. Niedrigrippenrohre (Low-Fin-Rohre) tragen gewalzte Kreisrippen mit etwa 630 bis 1000 Rippen pro Meter (16 bis 26 fins/in) und Rippenhöhen von 1 bis 2 mm; sie vergrößern die Außenfläche gegenüber dem Glattrohr um den Faktor 2,5 bis 3 und lohnen sich immer dann, wenn der mantelseitige Wärmeübergang die Auslegung begrenzt.
Die Berechnungsmethode folgt dem Heat Exchanger Design Handbook (HEDH): Die für Kreisrippenrohre im Kreuzstrom gewonnenen Korrelationen werden auf den Fall niedriger Rippen im umlenkgeführten Mantelraum übertragen, wobei Bypass- und Leckageströme über die Segmentbleche wie bei der klassischen Mantelraumberechnung berücksichtigt werden. Wer den Wärmeübergang am berippten Rohrbündel berechnen will, erhält so einen konsistenten Anschluss an die Auslegung von Rohrbündelapparaten nach der Stromzellenmethode.
Wichtig für die Anwendungsgrenzen: Niedrig berippte Rohre sind bei laminarer Strömung (Re < 1000) nicht geeignet, weil der Rippengewinn dort weitgehend verloren geht, und sie werden nicht für kondensierenden Wasserdampf empfohlen, da der Kondensatfilm die Rippenzwischenräume flutet.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Heat Exchanger Design Handbook / Mechanical design of heat exchangers", Hemisphere Publishing Corporation, New York 1998
So läuft die Berechnung ab
- Geometrie von Bündel und Berippung festlegen: Eingegeben werden Kernrohrdurchmesser, Rippenhöhe, Rippendichte (Rippen pro Meter), Rippendicke sowie Rohrteilung und Anordnungswinkel des Bündels. Daraus ergeben sich Flächenvergrößerungsfaktor, engster Strömungsquerschnitt und die für die Kennzahlbildung maßgebende charakteristische Länge.
- Mantelraumgeometrie beschreiben: Segmenthöhe (Baffle Cut), Umlenkblechabstand, Mantel- und Bündeldurchmesser sowie die Spaltmaße zwischen Rohr und Blech bzw. Blech und Mantel legen die Aufteilung des Mantelstroms in Kreuzstrom-, Bypass- und Leckageanteile fest.
- Stoffwerte und Betriebsdaten eingeben: Für das mantelseitige Fluid werden Massenstrom, Dichte, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität bei mittlerer Temperatur benötigt; daraus folgen Reynolds- und Prandtl-Zahl im engsten Querschnitt des berippten Bündels.
- Wärmeübergang am ideal quer angeströmten Rippenrohrbündel berechnen: Nach den HEDH-Korrelationen für Kreisrippenrohre im Kreuzstrom wird die Nusselt-Zahl des ideal angeströmten Bündels bestimmt; der Rippenwirkungsgrad erfasst, dass die Rippentemperatur zur Rippenspitze hin abfällt und die vergrößerte Fläche nicht voll wirksam ist.
- Korrektur auf den realen Mantelraum und Ergebnis: Korrekturfaktoren für Leckage-, Bypass- und Fensterströmung reduzieren den Idealwert auf den effektiven mantelseitigen Wärmeübergangskoeffizienten. Dieser wird auf die gewählte Bezugsfläche (z. B. Kernrohraußenfläche) bezogen und kann direkt in die k-Wert-Berechnung des Apparats übernommen werden.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Innendurchmesser des Mantels | Di | m |
| Durchmesser der Umlenkbleche | Dl | m |
| Bündeldurchmesser im Bereich der Querströmungszone | DB | m |
| Höhe des Ausschnitts aus dem Umlenkblech | H | m |
| Abstand der Umlenkbleche | S | m |
| Anzahl der Rohre einschließlich der vorhandenen Blind- und Stützrohre | n | - |
| Anzahl der Rohre im oberen und unteren Blechausschnitt (Fenster) | nF | - |
| Außendurchmesser der Rohre | da | m |
| Durchmesser der Bohrungen für die Rohre im Umlenkblech | dB | m |
| Rohrteilung quer zur Strömungsrichung | s1 | m |
| Rohrteilung längs in Strömungsrichtung | s2 | m |
| Anzahl der Abdichtungsstreifenpaare | nS | - |
| Anzahl der Hauptwiderstände in der Querströmung | nW | - |
| Anzahl der kürzesten Verbindungsstrecken | nV | - |
| Volumenstrom | V | m³/s |
| Prandtl-Zahl | Pr | - |
| Prandtl-Zahl bei Wandtemperatur | PrW | - |
| Kinematische Viskosität | ν | m²/s |
| Wärmeleitfähigkeit | λ | W/(m·K) |
| Wärmeübergangskoeffizient | α | W/(m²·K) |
| Reynolds-Zahl | Reψ,1 | - |
| Kürzeste Verbindungsstrecke zwischen Rohr und Rohr | e | m |
| Abstand der äußeren Rohre zum Mantel | e1 | m |
| Kürzeste Verbindungsstrecke in der Mitte | LE | m |
Berechnungsoptionen
Fluid flüssig / gasförmig?
flüssig · 1
Häufige Fragen
Wann lohnen sich Niedrigrippenrohre gegenüber Glattrohren?
Immer dann, wenn der mantelseitige Wärmeübergangskoeffizient deutlich kleiner ist als der rohrseitige – typisch bei Gasen, viskosen Flüssigkeiten oder organischen Medien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit außen und Wasser oder Dampf innen. Die 2,5- bis 3-fache Außenfläche gleicht den schlechten äußeren Wärmeübergang teilweise aus. Sind beide Koeffizienten ähnlich groß oder dominiert ohnehin die Verschmutzung, bringt die Berippung wenig und erschwert nur die Reinigung.
Warum sind Low-Fin-Rohre bei laminarer Strömung und bei kondensierendem Wasserdampf ungeeignet?
Bei Re < 1000 bildet sich zwischen den eng stehenden Rippen eine weitgehend stagnierende Strömung; die Grenzschichten der Nachbarrippen wachsen zusammen und die vergrößerte Fläche wird thermisch kaum genutzt. Bei kondensierendem Wasserdampf hält die hohe Oberflächenspannung des Kondensats die schmalen Rippenzwischenräume geflutet (Flooding), sodass der Vorteil der Fläche durch den dicken Kondensatfilm zunichtegemacht wird. Für organische Medien mit niedriger Oberflächenspannung kann Rippenkondensation dagegen sehr wirksam sein – das ist aber nicht Geltungsbereich dieses Moduls.
Welche Rolle spielt der Rippenwirkungsgrad?
Die Rippe leitet die Wärme von der Spitze zum Rohr; dabei fällt die Temperaturdifferenz zum Fluid entlang der Rippe ab. Der Rippenwirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der Rippenfläche im Vergleich zu einer isothermen Rippe wirksam ist. Er hängt von Rippenhöhe, Rippendicke, Wärmeleitfähigkeit des Rohrwerkstoffs und dem Wärmeübergangskoeffizienten ab. Bei niedrigen Rippen aus gut leitendem Material liegt er meist über 0,9; bei hochlegierten Stählen mit geringer Wärmeleitfähigkeit kann er spürbar absinken und muss in der Auslegung berücksichtigt werden.
Wie gehen Bypass- und Leckageströme in die Rechnung ein?
Wie beim Glattrohrbündel strömt nur ein Teil des Mantelstroms tatsächlich quer durch das Bündel; der Rest fließt durch die Spalte zwischen Rohren und Umlenkblech, zwischen Blech und Mantel sowie am Bündelrand vorbei. Diese Ströme tragen kaum zum Wärmeübergang bei. Die Methode korrigiert den Idealwert des quer angeströmten Bündels mit Faktoren, die aus den Spaltflächen und der Blechgeometrie berechnet werden – enge Fertigungstoleranzen und Abdichtstreifen verbessern das Ergebnis unmittelbar.