Wärmeübertragung und Druckverlust in Tripelrohren berechnen – Modul RS3

Immer dann, wenn der Produktstrom im mittleren Ringspalt von beiden Seiten beheizt oder gekühlt werden soll: Die Übertragungsfläche pro Meter Rohr verdoppelt sich nahezu, der Ringspalt erzwingt eine dünne Produktschicht mit kurzen Leitungswegen und enger Verweilzeitverteilung. Das ist besonders bei viskosen, temperaturempfindlichen oder foulenden Medien vorteilhaft. Der Preis ist ein höherer Druckverlust im engen Spalt und eine aufwendigere Konstruktion mit zwei abzudichtenden Ringräumen.

Weil das mittlere Medium gleichzeitig mit dem Zentralrohr und mit dem äußeren Ringspalt Wärme austauscht. Die beiden Wärmedurchgänge haben unterschiedliche Flächen, Wandwiderstände und treibende Temperaturdifferenzen und lassen sich nicht zu einem einzigen k-Wert zusammenfassen. Erst die getrennte Ausweisung zeigt, welche der beiden Wände die Übertragungsleistung begrenzt und wo eine Geometrieänderung ansetzen sollte.

Der VDI-Wärmeatlas stellt für konzentrische Ringspalte eigene Korrelationen bereit, die auf dem hydraulischen Durchmesser (Differenz aus Außen- und Innendurchmesser des Spalts) aufbauen und über das Durchmesserverhältnis berücksichtigen, ob die Wärme an der Innenwand, der Außenwand oder an beiden Wänden übertragen wird. Die einfache Rohrströmungs-Korrelation mit dem hydraulischen Durchmesser allein unterschätzt oder überschätzt den Wärmeübergang je nach Randbedingung.

Häufig werden die Strömungsquerschnitte der Ringspalte aus den falschen Durchmessern gebildet (Innendurchmesser des äußeren Rohrs gegen Außendurchmesser des inneren Rohrs), die Exzentrizität der Rohre unterschätzt, die zu ungleichmäßiger Spaltdurchströmung führt, oder die Stoffwerte nicht bei der mittleren Medientemperatur ausgewertet. Auch die Annahme, das mittlere Medium erwärme sich gleichmäßig über beide Wände, kann bei stark unterschiedlichen Temperaturniveaus der Nachbarströme fehlgehen — deshalb die gekoppelte Bilanzrechnung.