TEMA/ASME Haarnadel-Wärmetauscher
Der Haarnadelwärmetauscher ist eine Rohrbündelkonfiguration, die aus einem U-förmigen Rohrbündel besteht, das von einem Mantel umgeben ist, der an einem Ende ein Rücklaufbogengehäuse aufweist. Die mantelseitige Flüssigkeit tritt am vorderen Kopf ein, fließt entlang des geraden Schenkels zum Rücklaufbogen, kehrt die Richtung um und tritt am vorderen Kopf aus. Die rohrseitige Flüssigkeit tritt durch den vorderen Rohrboden ein, strömt durch die U-Rohre und kehrt durch denselben Rohrboden zurück. Diese Anordnung erzeugt einen Gegenstrom in einem Durchgang zwischen rohrseitigen und mantelseitigen Flüssigkeiten.
Dieses Produkt wurde gemäß TEMA (Klasse C, B oder R) und ASME Abschnitt VIII Division 1 oder Division 2 entwickelt und hergestellt, wobei die entsprechenden Materialien gemäß ASME Abschnitt II ausgewählt wurden.
Bauarten
Doppelrohr-Haarnadel (Einzelrohr)
- Rohr: Einzelnes nahtloses oder geschweißtes Rohr (Außendurchmesser 20 mm bis 114 mm), konzentrisch in einem größeren Mantelrohr
- Mantel: Einzelrohr (DN50 bis DN200), das als äußere Druckbegrenzung dient
- Anwendung: Kleine Einsatzbereiche (1 bis 20 m²), Hochdruckanwendungen (Rohrseite bis 35 MPa), saubere Flüssigkeiten auf beiden Seiten
- Inspektion: Vollständiger Zugang zur inneren Rohroberfläche vom vorderen Rohrboden aus; Die Mantelseite kann über die abnehmbare Rückbogenabdeckung inspiziert werden
Multitube-Haarnadel (mehrere Röhren im Gehäuse)
- Rohrbündel: Mehrere Rohre (4 bis 200+), in dreieckiger oder quadratischer Teilung in einem zylindrischen Mantel angeordnet
- Gehäuse: DN80 bis DN600, mit einem Rücklaufbogengehäuse am anderen Ende
- Anwendung: Mittlere bis große Aufgaben (20 bis 500 m²), mäßiger Druck (Mantelseite bis 10 MPa, Rohrseite bis 20 MPa)
- Rohrunterstützung: Prallplatten oder vollständige Stützgitter gemäß TEMA RCB-4.2 (maximale ungestützte Rohrlänge: für Kohlenstoffstahl ≤ 36* Rohraußendurchmesser; für Edelstahl ≤ 30* Rohraußendurchmesser)
Geometrische Parameter (Standardbereich)
| Parameter |
Doppelrohrtyp |
Multitube-Typ |
| Nenndurchmesser des Gehäuses (DN) |
DN50 bis DN200 |
DN80 bis DN600 |
| Rohr-Außendurchmesser |
20 mm bis 114 mm |
12mm bis 38mm |
| Rohrwandstärke |
2,0 mm bis 8,0 mm (nahtlos) |
1,5 mm bis 3,0 mm (nahtlos oder geschweißt) |
| Gerade Beinlänge (pro Bein) |
2,0 m bis 10,0 m |
2,0 m bis 12,0 m |
| U-Biegeradius (Mittellinie) |
R ≥ 2* Rohr-Außendurchmesser (min. zur Reinigung) |
R ≥ 2* Rohr-Außendurchmesser |
| Anzahl der Rohre pro Bündel |
1 |
4 bis 200+ |
| TEMA-Shell-Typ |
N/A (Doppelrohr) |
Haarnadel (Umkehrkurvenschale) |
Materialauswahl (gemäß Servicebedingungen)
Rohrmaterialoptionen
- Kohlenstoffstahl (SA-106 Gr.B / SA-210 Gr.A1 / 20#): Wasser, Öl, nicht korrosive Gase; Temperatur -20°C bis +425°C
- Edelstahl 304/304L (SA-213 TP304L): Leicht korrosive Prozessflüssigkeiten, sauberer Dampf; Chlorid ≤ 200 ppm; Temperatur -196 °C bis +600 °C (reduziert über 425 °C gemäß ASME II-D)
- Edelstahl 316/316L (SA-213 TP316L): Organische Säuren, Salzlösungen (Chlorid ≤ 200 ppm für 316L); Temperatur -196°C bis +500°C
- Titan Gr.2 (SB-338): Meerwasser, Sole, Chloridlösungen bis zu 20.000 ppm; Temperatur ≤ 230°C
- Duplex 2205 (SA-789 UNS S32205): Chloridhaltige Kohlenwasserstoffe, Meerwasser; Chlorid bis zu 300 ppm bei 80 °C; Temperatur -40°C bis +280°C
Optionen für Schalenmaterial
- Kohlenstoffstahl (SA-516 Gr.70): Nicht korrosiv oder leicht korrosiv auf der Gehäuseseite; Auslegungstemperatur -20°C bis +425°C
- Edelstahl 304L / 316L: Gehäuseseitige korrosive Medien oder hohe Reinheitsanforderung
- Titan (für die Meerwasserhüllenseite, bei der es sich bei der Hüllenflüssigkeit um Meerwasser handelt)
Dichtungsmaterialien (je Temperaturbereich)
- Asbestfrei / komprimierte Faser: -40 °C bis +250 °C, Druck ≤ 4,0 MPa
- Spiralgewickelt (SS 304/316 + Graphit): -196 °C bis +450 °C, Druck ≤ 25 MPa (Doppelrohrflansch)
- PTFE-Hüllendichtung: -40 °C bis +200 °C, für pharmazeutische oder korrosive Anwendungen, bei denen die Kontamination begrenzt ist
Betriebsbereich (nicht übertrieben)
| Parameter |
Doppelrohrtyp |
Multitube-Typ |
| Auslegungsdruck (Rohrseite) |
Bis zu 35 MPa (ASME VIII-2) |
Bis zu 20 MPa |
| Auslegungsdruck (Mantelseite) |
Bis zu 10 MPa |
Bis zu 10 MPa (Standard); je Sonderausführung höher |
| Auslegungstemperatur (Rohrseite) |
-40°C bis +500°C (materialabhängig) |
-196°C bis +500°C (materialabhängig) |
| Auslegungstemperatur (Mantelseite) |
-40°C bis +450°C (materialabhängig) |
-40°C bis +450°C (materialabhängig) |
| Minimal zulässiges ΔT (Rohr-/Manteleinlass) |
Kein festes Limit (U-Bündel freies Ende) |
Kein festes Limit (U-Bündel freies Ende) |
| Maximale rohrseitige Geschwindigkeit (Wasser) |
3,0 m/s (Kohlenstoffstahl), 4,5 m/s (Titan) |
2,5 m/s (Kohlenstoffstahl), 4,0 m/s (Titan) |
| Maximale hüllenseitige Geschwindigkeit |
1,5 m/s (korrosiv), 3,0 m/s (sauber) |
1,0 m/s (korrosiv), 2,5 m/s (sauber) |
Strömungs- und thermische Designparameter
Rohrseitige Strömung
- Einzeldurchgang (alle Rohre haben denselben Einlass und Auslass am vorderen Rohrboden)
- Bereich der rohrseitigen Massengeschwindigkeit: 300 bis 2.500 kg/m²*s (für Wasser); niedriger für viskose Flüssigkeiten
- Reynoldszahl-Ziel: ≥ 10.000 (turbulent) für sauberen Service; ≥ 4.000 für viskose Flüssigkeiten
Mantelseitige Strömung
- Einzeldurchgang (betritt den vorderen Kopf, überquert das gerade Bein, kehrt sich in der Rückbeuge um, überquert das zweite Bein, verlässt den vorderen Kopf)
- Bereich der mantelseitigen Massengeschwindigkeit: 50 bis 500 kg/m²*s (Gas), 200 bis 1.500 kg/m²*s (Flüssigkeit)
- Prozentsatz der Ablenkbleche (segmentale Ablenkbleche, falls verwendet): 20 % bis 30 % des Gehäusedurchmessers
- Ablenkplattenabstand: Bestimmt gemäß TEMA RCB-4.2 – maximale nicht unterstützte Rohrlänge darf 36* Rohraußendurchmesser für Kohlenstoffstahl nicht überschreiten; Der Abstand ist so gewählt, dass die Querströmungsgeschwindigkeit aufrechterhalten und Rohrvibrationen verhindert werden. Typischer Abstandsbereich: 0,2* Gehäuse-ID bis 0,5* Gehäuse-ID.
LMTD-Korrekturfaktor
Für eine echte Gegenstrom-Single-Pass-Konfiguration gilt F = 1,0 gemäß TEMA-Standards (keine Temperaturkreuzbegrenzung).
Annäherungstemperatur
Minimaler praktischer Ansatz: 3 °C bis 5 °C (begrenzt durch die verfügbare Oberfläche und NTU; der tatsächlich erreichbare Wert hängt vom angegebenen Druckabfall und den Flüssigkeitseigenschaften ab und kann ohne Prozesssimulation nicht garantiert werden).
Fertigungs- und Schweißparameter
Rohr-zu-Rohrboden-Verbindung
- Geweitete Verbindung: Hydraulische Ausdehnung bei 160–220 MPa, 5–8 Sekunden halten. Anforderung an den Auszugstest (gemäß TEMA RCB-4.3): ≥ 20 MPa für Kohlenstoffstahlrohre; ≥ 25 MPa für Edelstahl.
- Schweißverbindung: Dichtnaht (Kehlnaht 1,5–2,0 mm) plus vollständige Durchdringung (für giftige/Hochdruckanwendungen). Schweißverfahren gemäß ASME Abschnitt IX qualifiziert.
- Kombiniert (Schweißen + Aufweiten): Wird für zyklischen Temperaturbetrieb (Wärmezyklus > 100 Zyklen) und Hochdruck (Rohrseite > 10 MPa) verwendet.
Rückbiegegehäuseschweißung
- Gehäuserücklauf-Bogenkappe: Vollständig durchdringende Stumpfschweißung (bei dauerhafter Kappe) oder verschraubter Deckel mit Spiraldichtung (bei abnehmbarer Kappe).
- Interne Schweißnähte: 100 % Sichtprüfung (VT) + Eindringprüfung (PT) an kritischen Kehlnähten (gemäß ASME VIII-1 UW-50).
Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT)
Erforderlich gemäß ASME VIII-1 UCS-56, wenn:
- Schalendicke aus Kohlenstoffstahl > 38 mm (P-Nr. 1, Gruppe 1/2) für geschweißte Druckteile
- Rohrmaterialstärke > 19 mm (für Edelstahl ist anstelle von PWHT Lösungsglühen nach dem Schweißen angegeben)
- Der Service enthält nasses H₂S (gemäß NACE MR0175 / ISO 15156) – PWHT bei 620 ± 10 °C für 1 Stunde pro 25 mm Dicke, mindestens 1 Stunde.
Inspektion und Tests (pro Einheit)
Maßprüfung
- Gesamttoleranz der Beinlänge: ±3 mm (für gerade Beine) gemäß TEMA RCB-8
- Toleranz des U-Bogen-Mittellinienradius: ±1,5 mm für R ≤ 500 mm; ±3 mm für R > 500 mm
- Abstand zwischen Schallwand und Trägerplatte: ±1,5 mm
- Abweichung des Rohrlochbandes (Steg): ≤ ±0,2 mm von der Zeichnung
Zerstörungsfreie Prüfung
- Rohr-zu-Rohrboden-Verbindungen: 100 % flüssiges Eindringmittel (PT) für Dichtungsschweißnähte (gemäß ASME VIII-1 UW-51)
- Längs- und Umfangsnähte der Schale: Punktradiographie (RT) gemäß ASME VIII-1 UW-52 (oder vollständige Radiographie, falls angegeben)
- Kehlnähte am Rücklaufbogengehäuse: 100 % Magnetpartikel (MT) für Kohlenstoffstahl / PT für Edelstahl
- Rohrinneninspektion: Endoskopüberprüfung der Geradheit und des Durchgangs (keine blockierten Rohre) – bestanden, wenn 100 % der Rohre eine Messkugel aufnehmen, die 0,5 mm kleiner als der Rohrinnendurchmesser ist.
Druckprüfung
- Hydrostatischer Test (Wasser): Prüfdruck = 1,3 * Auslegungsdruck * (zulässige Mindestspannung bei Prüftemperatur / bei Auslegungstemperatur), gemäß ASME VIII-1 UG-99. 30 Minuten halten. Akzeptanz: keine sichtbare Leckage und kein Druckabfall.
- Pneumatischer Test (optional, für Trocken- oder Gasbetrieb): Prüfdruck = 1,1 * Auslegungsdruck. Druckluft oder Stickstoff. Seifenblasenkontrolle an allen Verbindungen. Die Leckrate darf 1*10⁻⁵ Pa*m³/s pro äquivalenter Öffnungsmethode (gemäß ASME Anhang VI) nicht überschreiten.
Reinigungs- und Wartungszugang
Rohrseitige Reinigung
- Mechanische Reinigung: Rohrabstreifer oder Bürste durchquert die gesamte Rohrlänge mittels U-Bogen. Mindest-U-Biegeradius R ≥ 2* Rohr-Außendurchmesser erforderlich gemäß TEMA RCB-4.52 für den Bürstendurchgang. Standardbürsten mit einem Außendurchmesser von 0,8* Rohrinnendurchmesser werden empfohlen.
Reinigung von der Gehäuseseite
- Chemische Reinigung nur für feste Bündelhaarnadel (Abdeckung der Rücklaufbiegung abnehmbar, aber Bündel nicht ziehbar). Die schalenseitige mechanische Reinigung über Zugangsöffnungen ist auf die geraden Beinabschnitte beschränkt; Das Innere des Rücklaufbogens ist für mechanische Abstreifer nicht zugänglich.
- Wenn der mantelseitige Verschmutzungsfaktor > 0,0005 m²*K/W (gemäß TEMA-Tabelle) ist, wird ein Durchzieh-Schwimmkopf-Wärmetauscher oder ein U-Rohr-Wärmetauscher mit geradem Mantel anstelle eines Haarnadelwärmetauschers empfohlen. Bei der Haarnadelschleife basiert die Häufigkeit der chemischen Reinigungszyklen auf der Erhöhung des Druckabfalls: Reinigen, wenn der ΔP auf der Mantelseite den Auslegungs-ΔP um 30 % übersteigt oder wenn der ΔP-Anstieg 50 kPa erreicht (je nachdem, was zuerst eintritt).
Pro Sendung bereitgestellte Dokumentation
- ASME-U-Stamp-Datenbericht (falls zutreffend)
- Materialprüfzeugnisse (EN 10204 3.1 oder 3.2)
- Schweißanweisungsspezifikation (WPS) und Verfahrensqualifikationsprotokoll (PQR)
- Druckprüfbericht mit Diagrammaufzeichnung
- Maßkontrollbericht
- Rohrbündelzeichnung (im Bauzustand)
- NTE-Bericht (PT/MT/RT/UT, soweit zutreffend)
Erklärung zu Designgrenzen
Der Hairpin-Wärmetauscher ist nicht anwendbar für:
- Mantelseitige Flüssigkeiten mit einem Feststoffgehalt > 5 Gew.-% oder faserige Verschmutzungen, die zur Reinigung eine mechanische Bündelextraktion erfordern, da das Haarnadelbündel fixiert ist und nicht durch das Rücklaufbogengehäuse gezogen werden kann.
- Die Massendurchflussraten auf der Gehäuseseite überschreiten das Äquivalent von 500 kg/s durch das DN600-Gehäuse – aufgrund eines einzelnen Gehäusedurchgangs, der zu einem Druckabfall führt, der den typischen Konstruktionsgrenzwert von 50–80 kPa überschreitet (gemäß TEMA-Richtlinie für zulässige Druckverluste).
- Sehr hoher mantelseitiger Vakuumbetrieb (< 1 kPa absolut) – das Rücklaufbogengehäuse erfordert möglicherweise zusätzliche Versteifungsringe gemäß ASME VIII-1 UG-29, um ein Zusammenfallen unter äußerem Druck zu verhindern; Design konsultieren.
Für das Angebot sind Eingaben zur Größenbestimmung erforderlich
Um ein vorläufiges thermisches und mechanisches Design bereitzustellen, reichen Sie die folgenden Prozessdaten ein:
- Name und Zusammensetzung der rohrseitigen Flüssigkeit (bei Mischung)
- Name und Zusammensetzung der mantelseitigen Flüssigkeit
- Rohrseitige Ein-/Austrittstemperaturen
- Gehäuseseitige Einlass-/Auslasstemperaturen
- Rohrseitig zulässiger Druckabfall
- Zulässiger Druckabfall auf der Gehäuseseite
- Rohrseitiger Betriebsdruck
- Gehäuseseitiger Betriebsdruck
- Maximal verfügbare Stellfläche (gerade Beinlänge, Kopffreiheit)
- Verschmutzungsfaktoren (Rohrseite und Mantelseite), sofern bekannt; andernfalls werden Standard-TEMA-Werte angewendet
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