Übersicht – Luftkühler-Rohrbündel als Wärmeübertragungskern
Ein Luftkühler-Rohrbündel ist die Wärmeübertragungskern-Baugruppe eines luftgekühlten Wärmetauschers (ACHE). Es besteht aus Reihen von blanken oder berippten Rohren, die an jedem Ende durch Rohrböden befestigt und mit Einlass- und Auslass-Sammlern verbunden sind. Das Bündel ist in einem strukturellen Feld installiert, wo axiale oder Zentrifugalventilatoren Umgebungsluft über die äußere Rohroberfläche drücken oder saugen, um die im Inneren der Rohre strömende Prozessflüssigkeit zu kühlen.
Dieses Produkt wird gemäß API 661 (Luftgekühlte Wärmetauscher für allgemeine Raffineriedienste), ISO 13706 und TEMA Klasse R oder B, wo zutreffend, entwickelt und hergestellt. Es wird als Ersatzbündel, Ersatzbündel oder komplette Baugruppe für ein neues ACHE-Feld geliefert.
Luftkühlertypen – Bündelausrichtung und Lüfterkonfiguration
Das Rohrbündel ist die gleiche Kernbaugruppe für alle ACHE-Typen; Ausrichtung, Tragstruktur und Luftstromrichtung variieren je nach Konfiguration.
Zwangsdurchzug
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Ventilatoren unterhalb des Bündels, die Luft nach oben durch die Rohrreihen drücken
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Gleichmäßige Luftverteilung durch das Lüfterplenum darunter
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Lüfter- und Antriebskomponenten sind auf Boden- oder Plattformebene zugänglich
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Bündelausrichtung: Horizontal
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Typische Anwendung: Allgemeine Raffinerieprozesskühlung, Verdichter-Nachkühler
Sogdurchzug
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Ventilatoren oberhalb des Bündels, die Luft nach oben durch die Rohrreihen saugen
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Plenumkammer oberhalb des Bündels sorgt für gleichmäßiges Ansaugen
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Lüfter- und Antriebskomponenten erfordern eine erhöhte Zugangsplattform
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Bündelausrichtung: Horizontal
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Typische Anwendung: Dampfkondensatoren, Hochtemperatur-Dienste, große Raffinerieanlagen
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Vorteil: Bessere Luftverteilung, weniger Rezirkulation, Bündel vor Niederschlag geschützt
A-Rahmen
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Zwei flache Rohrbündel, die in einer umgekehrten V-Form angeordnet sind (Spitze oben)
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Ventilatoren unterhalb der Spitze, die Luft nach oben durch beide geneigten Bündel blasen
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Bündelausrichtung: Geneigt, typischerweise 30° bis 60° zur Horizontalen
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Typische Anwendung: Luftgekühlte Dampfkondensatoren (ACC) in Kraftwerken
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Vorteil: Reduziert die Grundfläche für große Felder; Kondensat fließt durch Schwerkraft entlang der geneigten Rohre
V-Rahmen
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Zwei flache Rohrbündel, die in einer V-Form angeordnet sind (Spitze unten)
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Ventilatoren oberhalb der Spitze, die Luft nach oben durch beide geneigten Bündel saugen
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Bündelausrichtung: Geneigt, typischerweise 30° bis 60° zur Horizontalen
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Typische Anwendung: Dampfkondensatoren, bei denen ein Sogdurchzug zum Frostschutz bevorzugt wird
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Vorteil: Flächenreduzierung ähnlich wie beim A-Rahmen; Kondensat fließt zu einem unteren Sammler
Horizontal einzelnes Bündel
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Einzelnes flaches Rohrbündel, horizontal installiert
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Ventilatoren unten (Zwangsdurchzug) oder oben (Sogdurchzug)
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Bündelausrichtung: Horizontal, 0° Neigung
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Typische Anwendung: Allgemeine Prozesskühlung, Gaskühlung, Kohlenwasserstoffkondensation
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Vorteil: Einfachste Konstruktion; einfachster Bündelwechsel und Wartungszugang
Bündelkonstruktion – Kernkomponenten
Rohre
Rohrböden
Sammler (Einlass / Auslass-Verteiler)
Sammler-Konstruktion:
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Rechteckiger oder runder Querschnitt
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Flanschverbindungen nach ASME B16.5 oder B16.47
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Pass-Trennwände für ein-, zwei- oder vierfache Rohrpässe
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Entwässerungs- und Entlüftungsanschlüsse an tiefen und hohen Punkten
Seitenrahmen und Hebeösen
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Strukturrahmen: Stahlkanal oder I-Träger
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Hebeösen: An Seitenrahmen oder Rohrböden geschweißt, ausgelegt für das 2-fache Bündelgewicht
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Auflagepunkte so platziert, dass Rohrdurchbiegung minimiert und Ebenheit innerhalb von ±3 mm über die Bündellänge beibehalten wird
Rippentypen – Auswahl nach Temperatur und Umgebung
Rippengeometrie (typisch)
Rippen-Bindungswiderstand
Bei zuggewickelten Rippentypen (L-Fuß, KL-Fuß, LL-Fuß) führt die mechanische Verbindung zwischen Rippe und Rohr zu einem thermischen Kontaktwiderstand:
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Für rohrseitige Temperaturen über 120°C wird für neue Bündel typischerweise ein Bindungsleitfähigkeitswert von 2.000 – 5.000 W/m²·K angewendet.
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Im Betrieb befindliche Bündel können aufgrund von thermischer Wechselbeanspruchung eine reduzierte Bindungsleitfähigkeit aufweisen. Zusätzliche Oberfläche von 3 % – 30 % wird oft je nach Betriebstemperatur und Bindungstyp in das Design einbezogen.
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Extrudierte und hochfrequenzgeschweißte Rippen haben keinen Bindungswiderstand, da die Rippe integral oder metallurgisch verbunden ist.
Luftseitige thermische und hydraulische Parameter
Materialauswahl – Rohre, Rohrböden und Sammler
Rohrmaterialien
Rohrboden- und Sammlermaterialien
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Kohlenstoffstahl SA-516 Gr.70 für nicht-korrosiven rohrseitigen Dienst
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Edelstahlverkleidet über Kohlenstoffstahl für korrosiven Dienst mit hohem Druck; Verkleidungsdicke mindestens 3 mm gemäß ASME VIII-1 UW-13
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Massiver Edelstahl 304L / 316L für vollständig korrosiven Dienst
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Massiver Duplex oder Titan für starken Chloriddienst oder Offshore-Einsatz
Das Material des Sammlers wird typischerweise an das Material des Rohrbodens angepasst, um galvanische Korrosion an verschraubten oder geschweißten Verbindungen zu vermeiden. Für Kohlenstoffstahl-Sammler im korrosiven Dienst wird eine Innenbeschichtung (Epoxid oder Phenolharz) gemäß API 661 aufgetragen.
Fertigungsprozess – Schlüsselkontrollen
Bohrung der Rohrböden
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Bohrergröße kontrolliert auf H11-Toleranz gemäß ISO 286
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Bohrungs-Oberflächengüte: Ra ≤ 1,6 μm für gewalzte Verbindungen; Ra ≤ 3,2 μm für geschweißte Verbindungen
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Ligamentabweichung ≤ ±0,2 mm von der Zeichnung
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Alle Bohrungen vor dem Einsetzen der Rohre entgratet und gereinigt
Rohrwalzen
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Hydraulischer Walzdruck: 160 – 220 MPa; Haltezeit 5 – 8 Sekunden
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Walztiefe: Mindestens 1,5 × Rohr-Außendurchmesser oder 2 × Rohrwandstärke in den Rohrboden
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Nachwalz-Lehrenprüfung: 100 % der Rohre akzeptieren eine Lehre mit 0,5 mm kleiner als der Rohr-Innendurchmesser
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Zugfestigkeitsprüfung: Erststückprüfung pro Bündel, Ziel ≥ 20 MPa für Kohlenstoffstahl und ≥ 25 MPa für Edelstahl
Schweißen von Rohr zu Rohrboden (falls spezifiziert)
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GTAW (WIG) Verfahren, automatisch oder manuell
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Kehlnaht-Beinhöhe 1,5 – 2,0 mm für Dichtschweißnaht
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Wurzeldurchdringung der Vollschweißnaht ≥ 0,5 mm in die Rohrwand
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100 % Eindringprüfung gemäß ASME VIII-1 UW-51
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Schweißverfahren qualifiziert nach ASME Section IX
Herstellung der Sammler
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Geschweißte Stahlkonstruktion mit Flanschverbindungen nach ASME B16.5 oder B16.47
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Sammlerabmessungen abgestimmt auf das Lochmuster des Rohrbodens
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Pass-Trennwände an die Innenseite des Sammlers geschweißt, Material und Schweißverfahren abgestimmt auf das Sammlermaterial
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Entwässerungs- und Entlüftungsanschlüsse: NPT-Gewinde oder Steckschweißfittings
Bündelmontage und -hub
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Rohre in Rohrböden eingesetzt und gewalzt oder geschweißt
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Baffeln oder Rohrschalldämpfer in spezifizierten Abständen installiert
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Seitenrahmen und Hebeösen angebracht
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Hubtest durchgeführt bei 1,1 × Bündelgewicht, falls spezifiziert
Inspektion und Prüfung pro Bündel
Maßprüfung
Zerstörungsfreie Prüfung
Hydrostatische Prüfung (Rohrseite)
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Prüfdruck: 1,3 × Auslegungsdruck gemäß ASME VIII-1 UG-99
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Prüfmedium: Sauberes Wasser mit Korrosionsinhibitor; Chlorid ≤ 50 ppm für Edelstahl
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Haltezeit: ≥ 30 Minuten
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Akzeptanz: Null Druckabfall; keine sichtbare Leckage aus Rohrverbindungen, Sammlern oder Stopfen
Pneumatische Dichtheitsprüfung (falls spezifiziert)
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Prüfdruck: 0,6 MPa Luft oder Stickstoff
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Leckerkennung: Seifenblasentest an allen Verbindungen und Schweißnähten
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Akzeptanz: Keine Blasen; Leckrate ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s
Anwendungsprofile – Nach Diensttyp
Verdichter-Zwischenkühler und -Nachkühler
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Rohrseitige Flüssigkeit: Druckluft oder Erdgas
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Rohrseitige Temperatur: Einlass 120°C – 180°C, Auslass 40°C – 60°C
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Rohrseitiger Druck: 0,5 – 10,0 MPa
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Rohrmaterial: Kohlenstoffstahl für Luft; 304L für Erdgas mit CO₂ oder Wasser
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Rippentyp: L-Fuß, wenn rohrseitige Temperatur ≤ 150°C; KL-Fuß, wenn 150°C – 180°C
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Rippengeometrie: Außendurchmesser 25,4 mm × 2,0 mm Wandstärke; Rippenhöhe 12,5 mm; 10 FPI
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Bündelreihen: 4 – 6
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Luft-Anströmgeschwindigkeit: 2,5 – 3,5 m/s
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Luftseitiger Druckabfall: ≤ 200 Pa
Raffinerie-Kopfkondensator
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Rohrseitige Flüssigkeit: Kohlenwasserstoffdampf mit Wasserdampf
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Rohrseitige Temperatur: Einlass 100°C – 150°C Kondensation, Auslass 40°C – 60°C
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Rohrseitiger Druck: 0,1 – 0,5 MPa
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Rohrmaterial: Kohlenstoffstahl für nicht-korrosiven Dienst; 316L für Sauergas
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Rippentyp: L-Fuß oder KL-Fuß für Standarddienst; extrudiert mit 316L-Rohr für H₂S-Dienst
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Rippengeometrie: Außendurchmesser 25,4 mm × 2,0 mm; Rippenhöhe 12,5 mm; 10 FPI
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Bündelreihen: 4
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Sonderfunktion: Bündel geneigt 1:50 zum Auslasssammler für Flüssigkeitsabfluss
Erdgaskühler nach Dehydrierung oder Kompression
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Rohrseitige Flüssigkeit: Behandeltes Erdgas
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Rohrseitige Temperatur: Einlass 60°C – 100°C, Auslass 30°C – 45°C
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Rohrseitiger Druck: 4,0 – 10,0 MPa
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Rohrmaterial: 316L oder Duplex 2205 bei Vorhandensein von Chloriden
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Rippentyp: Extrudiert mit Aluminium 1100 außen für Offshore- und Küstenkorrosionsschutz
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Rippengeometrie: Außendurchmesser 19,05 mm × 2,0 mm; Rippenhöhe 12,5 mm; 10 FPI
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Bündelreihen: 2 – 3
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Luft-Anströmgeschwindigkeit: 2,0 – 2,5 m/s
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Luftseitiger Druckabfall: ≤ 150 Pa
Luftgekühlter Dampfkondensator (ACC) für Kraftwerke
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Rohrseitige Flüssigkeit: Dampf kondensiert zu Wasser unter Vakuum
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Rohrseitige Temperatur: Einlass 60°C – 100°C, Auslass 35°C – 45°C
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Rohrseitiger Druck: Vakuum, 10 – 50 kPa absolut
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Rohrmaterial: Kohlenstoffstahl verzinkt oder beschichtet; Edelstahl bei Dampf mit Ammoniak oder Chloriden
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Rippentyp: Hochfrequenzgeschweißt mit metallurgischer Verbindung; feuerverzinkte Kohlenstoffstahlrippen
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Rohrgeometrie: Elliptische oder flach-ovale Rohre mit Plattenrippen oder helikal geschweißten Rippen
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Bündelausrichtung: A-Rahmen oder V-Rahmen, 60° zur Horizontalen geneigt
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Luftstrom: Sogdurchzug
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Sonderfunktion: Bündel geneigt 1:80 zum Kondensatsammelrohr; Frostschutz durch Dampfbeheizung oder elektrische Heizung für Winterbetrieb unter 0°C
Reinigung und Wartung
Luftseitige Verschmutzung durch Staub, Pollen oder chemische Ablagerungen erhöht den Druckabfall und reduziert die Wärmeübertragung. Reinigung wird empfohlen, wenn:
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Luftseitiger Druckabfall überschreitet den Auslegungsdruckabfall um 30 %
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Luftseitiger Druckabfallanstieg erreicht 50 Pa über dem Startwert, je nachdem, was zuerst eintritt
Reinigungsmethoden:
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Wasserwäsche: Niederdrucksprühstrahl ≤ 1,0 MPa für wasserlösliche Ablagerungen
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Luftblasen: Druckluft ≤ 0,6 MPa für trockenen losen Staub
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Chemische Reinigung: Alkalische oder säurebasierte Reinigungsmittel, zugelassen für Aluminiumrippen; vermeiden Sie stark alkalische Lösungen
Rohrseitige Reinigung ist in einem festen Bündel mechanisch nicht möglich. Chemische Reinigung oder Inline-Reinigung ist für verschmutzende Dienste erforderlich.
Dokumentation pro Lieferung
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Materialprüfzeugnisse nach EN 10204 3.1 oder 3.2 für Rohre, Rippen, Rohrböden, Sammler und Baustahl
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API 661 ausgefülltes Datenblatt oder ISO 13706 Datenblatt
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TEMA Datenblatt, falls zutreffend
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ASME U-Stempel-Datenbericht, falls zutreffend
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Maßprüfbericht einschließlich Bündellänge, Rohrboden-Lochbild, Rippengeometrie und Rohr-Außendurchmesser
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Parameter des Rippenbefestigungsprozesses einschließlich Wickelspannung, Extrusionsdruck und Schweißstrom
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Hydrostatische Prüfbericht mit Druckdiagrammaufzeichnung
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Pneumatischer Dichtheitsprüfbericht, falls durchgeführt
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NDE-Berichte für PT, UT und RT, wie durchgeführt
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Schweißverfahrensspezifikation und Qualifizierungsbericht für Rohr-zu-Rohrboden- und Sammlerschweißnähte
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As-built-Zeichnung des Rohrbündels mit Rohranzahl, Passkonfiguration, Sammlerabmessungen und Positionen der Hebeösen
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Lackier- und Beschichtungsspezifikation mit Dickenprüfbericht
Auswahlliste – Luftkühler-Rohrbündel
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ACHE-Typ: Zwangsdurchzug, Sogdurchzug, A-Rahmen, V-Rahmen oder horizontal
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Bündelausrichtung: Horizontal oder geneigt mit Winkel
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Rohrmaterial und -größe (Außendurchmesser und Wandstärke)
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Rippentyp: L-Fuß, KL, LL, extrudiert, hochfrequenzgeschweißt oder blank
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Rippenmaterial und -geometrie (Höhe, Abstand oder FPI, Dicke)
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Rohrseitiger Auslegungsdruck und -temperatur
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Zusammensetzung der rohrseitigen Flüssigkeit einschließlich Korrosivität, Chloriden und H₂S
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Zulässiger rohrseitiger Druckabfall
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Luft-Einlasstemperatur für Sommerauslegung
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Luft-Anströmgeschwindigkeit oder Gesamtluftstrom
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Zulässiger luftseitiger Druckabfall, typischerweise 100 – 300 Pa
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Sammlertyp: Stopfen, Deckel oder Rohrleitung
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Anzahl der rohrseitigen Pässe: Einfach, zwei oder vier
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Rohranzahl und -layout pro vorhandenem oder neuem Feld
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Anforderungen an den Korrosionsschutz einschließlich Beschichtung, Verzinkung oder spezieller Rippen- und Rohrmaterialien
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Frostschutz für ACC-Dienst einschließlich Dampfbeheizung, elektrischer Heizung oder Umwälzung
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Hub- und Transportbeschränkungen einschließlich maximalem Gewicht und Abmessungen
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Anwendbare Normen: API 661, ISO 13706, TEMA oder Kundenspezifikation
Design-Limitierungs-Erklärung – Luftkühler-Rohrbündel
Das Luftkühler-Rohrbündel unterliegt folgenden Einschränkungen:
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Es ist nur für den spezifizierten rohrseitigen Druck und die Temperatur ausgelegt. Betrieb außerhalb dieser Grenzen macht die Auslegung ungültig.
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Die luftseitige Leistung hängt von der Umgebungstemperatur und der Verschmutzung ab. Die Kühlleistung nimmt mit steigender Umgebungstemperatur ab.
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Rohrseitige Reinigung ist in einem festen Bündel mechanisch nicht möglich. Chemische Reinigung oder Inline-Reinigung ist für verschmutzende Dienste erforderlich.
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Luftseitige Verschmutzung erhöht den Druckabfall und reduziert die Wärmeübertragung. Regelmäßige Reinigungsintervalle müssen eingehalten werden.
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Für Kondensationsdienste bei Frostbedingungen muss ein Frostschutz durch Neigung, Entwässerung und Heizung gewährleistet sein.
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Die maximale Rippenspitzentemperatur darf die materialspezifischen Grenzwerte nicht überschreiten: L-Fuß ≤ 150°C, extrudiert ≤ 230°C, hochfrequenzgeschweißt ≤ 450°C.
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Für thermische Wechselbeanspruchung mit mehr als 500 Zyklen pro Jahr werden zuggewickelte Rippentypen wie L-Fuß, KL-Fuß und LL-Fuß nicht empfohlen. Verwenden Sie extrudierte oder hochfrequenzgeschweißte Rippen.
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Das Bündel muss auf einer ebenen Auflagefläche installiert werden. Übermäßige Fehlausrichtung führt zu Verformungen des Rohrbodens und Leckagen an den Verbindungen.
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Für rohrseitige Drücke über 10,0 MPa oder extreme Vakuumwerte konsultieren Sie uns für kundenspezifische Sammler- und Rohrboden-Designs.