Übersicht – Luftkühlerrohrbündel als Wärmeübertragungskern
Ein Luftkühlerrohrbündel ist die Wärmeübertragungskernbaugruppe eines luftgekühlten Wärmetauschers (ACHE). Es besteht aus Reihen blanker oder gerippter Rohre, die an jedem Ende durch Rohrplatten befestigt und mit Einlass- und Auslasssammelkästen verbunden sind. Das Bündel wird in einem Strukturschacht installiert, in dem Axial- oder Zentrifugalventilatoren Umgebungsluft über die äußere Rohroberfläche drücken oder ansaugen, um die in den Rohren fließende Prozessflüssigkeit zu kühlen.
Dieses Produkt wurde gemäß API 661 (Luftgekühlte Wärmetauscher für allgemeine Raffineriedienste), ISO 13706 und gegebenenfalls TEMA-Klasse R oder B entwickelt und hergestellt. Es wird als Ersatzpaket, Ersatzpaket oder komplette Baugruppe für einen neuen ACHE-Schacht geliefert.
Luftkühlertypen – Bündelausrichtung und Lüfterkonfiguration
Das Rohrbündel ist bei allen ACHE-Typen die gleiche Kernbaugruppe; Ausrichtung, Stützstruktur und Luftströmungsrichtung variieren je nach Konfiguration.
Zwangsentwurf
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Ventilatoren, die sich unterhalb des Bündels befinden und Luft durch die Rohrreihen nach oben drücken
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Die Luftverteilung ist aufgrund des darunter liegenden Ventilatorplenums gleichmäßig
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Lüfter- und Antriebskomponenten sind vom Boden oder der Plattform aus zugänglich
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Bündelausrichtung: Horizontal
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Typische Anwendung: Allgemeine Raffinerieprozesskühlung, Kompressor-Ladeluftkühler
Induzierter Entwurf
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Oberhalb des Bündels angeordnete Ventilatoren ziehen Luft durch die Rohrreihen nach oben
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Die Sammelkammer über dem Bündel sorgt für eine gleichmäßige Absaugung
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Lüfter- und Antriebskomponenten erfordern eine erhöhte Zugangsplattform
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Bündelausrichtung: Horizontal
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Typische Anwendung: Dampfkondensatoren, Hochtemperaturbetriebe, große Raffinerieanlagen
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Vorteil: Bessere Luftverteilung, weniger Umwälzung, Bündel vor Niederschlag geschützt
A-Rahmen
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Zwei flache Rohrbündel, die in umgekehrter V-Form angeordnet sind (Scheitelpunkt oben)
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Unterhalb der Spitze angeordnete Ventilatoren blasen Luft durch beide geneigten Bündel nach oben
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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 Grundstücksfläche bei großen Buchtflächen; Kondensat läuft durch die Schwerkraft entlang geneigter Rohre ab
V-Rahmen
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Zwei V-förmig angeordnete Flachrohrbündel (Scheitelpunkt unten)
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Über dem Scheitelpunkt angeordnete Ventilatoren ziehen die Luft durch beide geneigten Bündel nach oben
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Bündelausrichtung: Geneigt, typischerweise 30° bis 60° zur Horizontalen
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Typische Anwendung: Dampfkondensatoren, bei denen induzierter Zug zum Frostschutz bevorzugt wird
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Vorteil: Reduzierung des Platzbedarfs ähnlich wie beim A-Rahmen; Das Kondensat läuft zu einem unteren Kollektor ab
Horizontales Einzelbündel
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Einzelnes Flachrohrbündel horizontal eingebaut
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Ventilatoren unten (Zwangszug) oder oben (induzierter Zug)
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Bündelausrichtung: Horizontal, 0° Neigung
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Typische Anwendung: Allgemeine Prozesskühlung, Gaskühlung, Kohlenwasserstoffkondensierung
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Vorteil: Einfachste Konstruktion; Einfachster Bundle-Austausch und Wartungszugang
Bündelkonstruktion – Kernkomponenten
Röhren
Rohrplatten
Sammelkästen (Einlass-/Auslassverteiler)
Aufbau des Sammelkastens:
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Rechteckiger oder runder Querschnitt
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Flanschverbindungen nach ASME B16.5 oder B16.47
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Durchgangstrennwände für einzelne, zwei oder vier rohrseitige Durchgänge
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Entwässerungs- und Entlüftungsanschlüsse an Tief- und Hochpunkten
Seitenrahmen und Hebeösen
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Strukturrahmen: Stahlkanal oder I-Träger
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Hebeösen: An Seitenrahmen oder Rohrböden angeschweißt, ausgelegt für das Zweifache des Bündelgewichts
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Die Stützpunkte sind so angeordnet, dass der Rohrdurchhang minimiert wird und die Ebenheit über die Bündellänge innerhalb von ±3 mm bleibt
Flossentypen – Auswahl nach Temperatur und Umgebung
Flossengeometrie (typisch)
Flossenbindungswiderstand
Bei spannungsgewickelten Rippentypen (L-Fuß, KL-Fuß, LL-Fuß) führt die mechanische Verbindung zwischen Rippe und Rohr zu einem thermischen Kontaktwiderstand:
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Bei rohrseitigen Temperaturen über 120 °C wird bei Neubündeln typischerweise ein Verbundleitwert von 2.000 – 5.000 W/m²·K angesetzt.
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In Betrieb befindliche Bündel können aufgrund thermischer Wechselwirkungen eine verringerte Bindungsleitfähigkeit aufweisen. Abhängig von der Betriebstemperatur und der Verbindungsart wird häufig eine zusätzliche Oberfläche von 3 % bis 30 % in die Konstruktion einbezogen.
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Extrudierte und hochfrequenzgeschweißte Rippen haben keinen Verbindungswiderstand, da die Rippe einstückig oder metallurgisch verbunden ist.
Luftseitige thermische und hydraulische Parameter
Materialauswahl – Rohre, Rohrböden und Sammelrohre
Rohrmaterialien
Rohrboden- und Kopfmaterialien
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Kohlenstoffstahl SA-516 Gr.70 für korrosionsfreien Rohrseitenbetrieb
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Edelstahlbeschichtung auf Kohlenstoffstahl für korrosiven Einsatz bei hohem Druck; Verkleidungsdicke mindestens 3 mm gemäß ASME VIII-1 UW-13
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Massiver Edelstahl 304L/316L für vollständig korrosiven Einsatz
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Massives Duplex oder Titan für schwere Chloridanwendungen oder Offshore-Einsätze
Das Material des Verteilerkastens wird normalerweise auf das Material des Rohrbodens abgestimmt, um galvanische Korrosion an Schraub- oder Schweißverbindungen zu vermeiden. Bei Krümmern aus Kohlenstoffstahl im korrosiven Betrieb wird eine Innenbeschichtung (Epoxidharz oder Phenolharz) gemäß API 661 aufgebracht.
Herstellungsprozess – Schlüsselkontrollen
Bohren von Rohrböden
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Bohrergröße kontrolliert auf H11-Toleranz gemäß ISO 286
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Lochbeschaffenheit: Ra ≤ 1,6 μm für Dehnfugen; Ra ≤ 3,2 μm für Schweißverbindungen
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Bandabweichung ≤ ±0,2 mm von der Zeichnung
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Alle Löcher vor dem Einsetzen des Rohrs entgratet und gereinigt
Rohrerweiterung
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Hydraulischer Expansionsdruck: 160 – 220 MPa; Haltezeit 5 – 8 Sekunden
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Ausdehnungstiefe: Mindestens 1,5 × Rohraußendurchmesser oder 2 × Rohrwandstärke im Rohrboden
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Überprüfung des Messgeräts nach der Dehnung: 100 % der Rohre nehmen eine Messkugel auf, die 0,5 mm kleiner als der Rohrinnendurchmesser ist
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Überprüfung der Auszugsfestigkeit: Erstmusterprüfung pro Bündel, Zielwert ≥ 20 MPa für Kohlenstoffstahl und ≥ 25 MPa für Edelstahl
Rohr-zu-Rohrboden-Schweißen (falls angegeben)
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WIG-Verfahren (WIG), automatisch oder manuell
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Kehlschenkelhöhe 1,5 – 2,0 mm für Siegelschweißung
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Vollständig durchgeschweißte Schweißwurzeleindringung ≥ 0,5 mm in die Rohrwand
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100 % Flüssigkeitseindringprüfung gemäß ASME VIII-1 UW-51
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Schweißverfahren gemäß ASME Abschnitt IX qualifiziert
Herstellung von Verteilerkästen
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Geschweißte Stahlkonstruktion mit ASME B16.5- oder B16.47-Flanschanschlüssen
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Die Abmessungen des Sammelrohrs sind auf das Lochbild des Rohrbodens abgestimmt
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Durchgangstrennwände mit dem Innenraum des Sammelrohrs verschweißt, Material und Schweißverfahren auf das Sammelrohrmaterial abgestimmt
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Abfluss- und Entlüftungsanschlüsse: NPT-Gewinde- oder Muffenschweißanschlüsse
Bündelmontage und Heben
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Rohre werden in Rohrböden eingelegt und aufgeweitet oder eingeschweißt
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Leitbleche oder Rohrstützen werden in vorgegebenen Abständen installiert
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Seitenrahmen und Hebeösen angebracht
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Falls angegeben, wird der Hebetest mit dem 1,1-fachen Bündelgewicht durchgeführt
Inspektion und Tests pro Bundle
Maßprüfung
Zerstörungsfreie Prüfung
Hydrostatischer Test (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: Kein Druckabfall; Keine sichtbaren Leckagen an Rohrverbindungen, Kopfstücken oder Stopfen
Pneumatischer Dichtheitstest (falls angegeben)
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Prüfdruck: 0,6 MPa Luft oder Stickstoff
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Lecksuche: Seifenblasenanwendung auf allen Verbindungen und Schweißnähten
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Akzeptanz: Keine Blasen; Leckrate ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s
Anwendungsprofile – nach Servicetyp
Kompressor-Ladeluftkühler 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 bei 150°C – 180°C
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Flossengeometrie: Außendurchmesser 25,4 mm × 2,0 mm Wand; Flossenhöhe 12,5 mm; 10 FPI
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Bündelreihen: 4 – 6
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Luftgeschwindigkeit: 2,5 – 3,5 m/s
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Luftseitiger Druckabfall: ≤ 200 Pa
Raffinerie-Überkopfkondensator
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Rohrseitige Flüssigkeit: Kohlenwasserstoffdampf mit Dampf
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Rohrseitige Temperatur: Einlass 100 °C – 150 °C kondensierend, Auslass 40 °C – 60 °C
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Rohrseitiger Druck: 0,1 – 0,5 MPa
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Rohrmaterial: Kohlenstoffstahl für korrosionsfreien Betrieb; 316L für sauren Service
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Flossentyp: L-Fuß oder KL-Fuß für Standardbetrieb; extrudiert mit 316L-Rohr für H₂S-Einsatz
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Flossengeometrie: Außendurchmesser 25,4 mm × 2,0 mm; Flossenhöhe 12,5 mm; 10 FPI
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Bündelreihen: 4
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Besonderheit: Bündel mit einer Neigung von 1:50 zum Auslassstutzen zur Flüssigkeitsableitung
Erdgaskühler nach Dehydrierung oder Kompression
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Rohrseitige Flüssigkeit: Aufbereitetes 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, wenn Chloride vorhanden sind
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Flossentyp: Extrudiert mit Aluminium 1100-Außenseite für Offshore- und Küstenkorrosionsschutz
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Flossengeometrie: Außendurchmesser 19,05 mm × 2,0 mm; Flossenhöhe 12,5 mm; 10 FPI
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Bündelreihen: 2 – 3
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Luftgeschwindigkeit: 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, der unter Vakuum zu Wasser kondensiert
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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, wenn Dampf Ammoniak oder Chloride enthält
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Lamellentyp: Hochfrequenzgeschweißt mit metallurgischer Bindung; feuerverzinkte Lamellen aus Kohlenstoffstahl
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Rohrgeometrie: Elliptische oder flachovale Rohre mit Blechrippen oder spiralförmig geschweißten Rippen
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Bündelausrichtung: A-Rahmen oder V-Rahmen, 60° zur Horizontalen geneigt
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Luftstrom: induzierter Luftzug
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Besonderheit: Bündel im Verhältnis 1:80 zum Kondensatsammler geneigt; Frostschutz durch Dampfbegleitheizung oder Elektroheizung für Winterbetrieb unter 0°C
Reinigung und Wartung
Luftseitige Verschmutzung durch Staub, Pollen oder chemische Ablagerungen erhöht den Druckabfall und verringert die Wärmeübertragung. Eine Reinigung wird empfohlen, wenn:
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Der luftseitige Druckabfall übersteigt den Auslegungsdruckabfall um 30 %
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Der Anstieg des luftseitigen Druckabfalls erreicht 50 Pa über dem Betriebsbeginn, je nachdem, was zuerst eintritt
Reinigungsmethoden:
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Wasserwäsche: Niederdruckspray ≤ 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: Für Aluminiumlamellen zugelassenes alkalisches oder säurehaltiges Reinigungsmittel; Vermeiden Sie stark alkalische Lösungen
Eine rohrseitige Reinigung ist bei einem festen Bündel mechanisch nicht möglich. Eine chemische Reinigung oder Online-Molchung ist erforderlich.
Dokumentation pro Sendung
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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-Stamp-Datenbericht, falls zutreffend
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Maßprüfbericht einschließlich Bündellänge, Lochanordnung im Rohrboden, Rippengeometrie und Rohraußendurchmesser
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Parameter des Lamellenbefestigungsprozesses, einschließlich Wickelspannung, Extrusionsdruck und Schweißstrom
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Hydrostatischer Prüfbericht mit Aufzeichnung des Druckdiagramms
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Bericht über die pneumatische Dichtheitsprüfung, falls durchgeführt
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NTE-Berichte für PT, UT und RT wie durchgeführt
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Schweißverfahrensspezifikation und Verfahrensqualifikationsprotokoll für Rohr-zu-Rohrboden- und Kopfschweißnähte
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Bestandszeichnung des Rohrbündels mit Rohranzahl, Durchgangskonfiguration, Verteilerabmessungen und Positionen der Hebeösen
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Lackier- und Beschichtungsspezifikation mit Bericht zur Dickenüberprüfung
Auswahl-Checkliste – Luftkühlerrohrbündel
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ACHE-Typ: Zwangszug, induzierter Zug, 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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Flossenmaterial und -geometrie (Höhe, Teilung oder FPI, Dicke)
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Rohrseitiger Auslegungsdruck und Temperatur
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Zusammensetzung der rohrseitigen Flüssigkeit, einschließlich Korrosivität, Chloride und H₂S
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Rohrseitig zulässiger Druckabfall
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Lufteintrittstemperatur für Sommerdesign
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Luftanströmgeschwindigkeit oder Gesamtluftstrom
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Luftseitig zulässiger Druckabfall, typischerweise 100 – 300 Pa
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Verteilertyp: Stopfen, Abdeckplatte oder Rohrverteiler
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Anzahl der rohrseitigen Durchgänge: Einfach, zwei oder vier
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Anzahl und Anordnung der Röhren pro vorhandenem oder neuem Schacht
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Korrosionsschutzanforderungen einschließlich Beschichtung, Verzinkung oder spezielle Rippen- und Rohrmaterialien
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Frostschutz für ACC-Service einschließlich Dampfbegleitheizung, Elektroheizung oder Umwälzung
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Hebe- und Transportbeschränkungen, einschließlich maximalem Gewicht und maximalen Abmessungen
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Anwendbare Standards: API 661, ISO 13706, TEMA oder Kundenspezifikation
Erklärung zu Designeinschränkungen – Luftkühler-Rohrbündel
Das Rohrbündel des Luftkühlers unterliegt folgenden Einschränkungen:
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Es ist nur für den angegebenen rohrseitigen Druck und die angegebene Temperatur ausgelegt. Bei Betrieb außerhalb dieser Grenzen wird das Design ungültig.
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Die luftseitige Leistung hängt von der Umgebungslufttemperatur und der Verschmutzung ab. Die Kühlleistung nimmt mit steigender Umgebungstemperatur ab.
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Eine rohrseitige Reinigung ist bei einem festen Bündel mechanisch nicht möglich. Für Fouling-Dienste ist eine chemische Reinigung oder Online-Molchen erforderlich.
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Luftseitige Verschmutzung erhöht den Druckabfall und verringert die Wärmeübertragung. Regelmäßige Reinigungspläne müssen eingehalten werden.
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Für die Kondensation bei Frostbedingungen muss ein Frostschutz durch Gefälle, Entwässerung und Heizung vorgesehen werden.
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Die maximale Temperatur an der Lamellenspitze darf materialspezifische Grenzwerte nicht überschreiten: L-Fuß ≤ 150 °C, extrudiert ≤ 230 °C, hochfrequenzgeschweißt ≤ 450 °C.
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Für den Temperaturwechselbetrieb über 500 Zyklen pro Jahr werden spannungsgewickelte Lamellentypen wie L-Fuß, KL-Fuß und LL-Fuß nicht empfohlen. Verwenden Sie extrudierte oder hochfrequenzgeschweißte Lamellen.
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Das Bündel muss auf einer ebenen Stützkonstruktion installiert werden. Eine übermäßige Fehlausrichtung führt zu einer Verformung des Rohrbodens und zu Undichtigkeiten an der Verbindung.
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Bei rohrseitigem Druck über 10,0 MPa oder extremem Vakuum wenden Sie sich bitte an die individuelle Kopfstück- und Rohrbodenkonstruktion.