58. Simulation der instationären thermoschockartigen Beanspruchung von Wärmetauschern und Reaktoren beim Anfahren

Abstract

Ein sicherheitstechnisch wichtiger Aspekt der Dynamik von verfahrenstechnischen Prozessen ist die mechanische Beanspruchung der Anlagenbauteile. Insbesondere das Anfahren von Chemieanlagen verursacht plotzliche und ungleichmagige h d erungen der Temperaturverhaltnisse und damit Warrnespannungen im Material, die in der Regel wesentlich hoher sind als im stationaren Betrieb.Erkennbar wird dies an folgendem Beispiel: In einem Rohrbundelwarmetauscher herrscht vor dem Anfahren Umgebungstemperatur. Wird die Dampfbeheizung auf der Mantelseite in Betrieb genommen, steigt die Temperatur des Mantels aufgrund der Warmeleitung langsam auf die Temperatur des Dampfes. Die Rohre haben in der Regel eine wesentlich kleinere Wanddicke (z. B. 2 mm gegenuber einer Mantelwanddicke von 30 mm) und werden daher fast ohne Verzogerung erhitzt. Dieser Temperaturschock erzeugt kurzzeitig Warmespannungen, die bereits bei Temperaturdifferenzen von mehr als 45 K zu einer unzulassigen Beanspruchung der RohreinschweiRungen und letztlich zu Gewaltbriichen fuhren k6nnen.Fur diesen wichtigen Belastungsfall werden in der Fachliteratur keine Berechnungsalgorithmen angegeben. Daher wurdenausgehend von den physikalischen Grundgleichungen -Berechnungsmodelle fur Rohrbiindelwarmetauscher und ausgekleidete Apparate enhvickelt, die die numerische Simulation des zeitlichen Verlaufs von Temperatur-und Spannungsverhaltnissen ermoglichen. Die Modelle beriicksichtigen sowohl zeitlich veranderliche Eintrittstemperaturen und Warmeiibergangsbedingungen als auch instationare Warmeleitung.Da haufig die ersten Sekunden die kritischen sind, mu8 folgendes berucksichtigt werden: Bei der Kondensation von Dampf wird der entscheidende Warmewiderstand durch den Kondensatfilm gebildet. Da der Apparat beim Anfahren normalenveise trokken ist, sind die Warmeubergangsbedingungen am Anfang besonders giinstig, d. h. fur die thermisch-mechanische Beanspruchung besonders ungiinstig. Daher wird auch instationare Kondensation auf der Basis der Theorie nach N U 8 S E LT modelliert.Zur numerischen Losung der Differentialgleichungssysteme wird neben den klassischen Runge-Kutta-und Differenzen-Verfahren auch das PLANT-Verfahren angewendet, das uber die Exponentialmatrix des Systems die Losung (Systemanhvort) streng ermittelt. Die Exponentialmatrix des Systems mu8 hierzu allerdings numerisch berechnet werden. Als Berechnungsergebnis ist z.B. der Temperaturverlauf der Rohre und des Mantels Abbildung. Temperaturverlauf der Rohre T, und des Mantels T,,, iiber der Zeit. 300 I 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Zeit t (5ec)fur einen Rohrbiindelwarmetauscher beim Anfahren in der Abb.wiedergegeben. An weiteren praktischen Beispielen werden Simulationsergebnisse und die daraus abgeleiteten Vorschlage fur eine sichere Konstruktion und Fahnveise gezeigt.