Warum entwickeln PTFE-Wärmetauscher Bypass-Leckagen und wie werden diese behoben?

Bei einer Bypass-Leckage handelt es sich nicht um eine Leckage zur Außenumgebung, sondern um eine innere Flüssigkeit auf der Kurzschluss-mantelseite-, die um das Rohrbündel statt durch das Rohrbündel fließt. Dieser interne Bypass bedeutet einen Verlust an Wärmeübertragungsfläche und eine Verringerung der Wirksamkeit des Wärmetauschers, ist jedoch von außen nicht sichtbar. Es ist wichtig, die Wege und Ursachen von Bypass-Leckagen bei PTFE-Wärmetauschern zu kennen, um Leistungsverluste zu diagnostizieren und erfolgreiche Reparaturen zu planen. In diesem Artikel werden die häufigsten Leckagekanäle, Leckageursachen und Reparaturschritte zur Wiederherstellung der thermischen Leistung erläutert.

Bypass-Leckage: Was ist das und warum ist es wichtig?
In einem Rohrbündelwärmetauscher soll die mantelseitige Flüssigkeit durch Leitbleche gelenkt durch das Rohrbündel strömen. Eine Bypass-Leckage entsteht, wenn ein Teil der Flüssigkeit die Rohre nicht berührt, weil sie über einen kürzeren Weg mit geringerem Widerstand fließt. Die Flüssigkeit verlässt den Wärmetauscher mit einer geringen oder keiner Temperaturänderung, was die Gesamtwärmeübertragungsrate verringert.

Bypass-Leckagen sind schädlich, insbesondere bei PTFE-Wärmetauschern, die bereits eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Metalleinheiten haben. Der Bypassstrom von 20 % kann den effektiven Wärmeübergangskoeffizienten um 25–35 % reduzieren, da die umgeleitete Flüssigkeit nicht am Wärmeaustausch teilnimmt. Das Problem liegt intern und kann nicht durch äußere Sichtprüfung oder Druckprüfung, sondern nur durch thermische Leistungsüberwachung oder interne Untersuchung gefunden werden.

Primäre Bypass-Leckpfade des PTFE-Wärmetauschers
Die mantelseitige Flüssigkeit kann das Rohrbündel auf drei verschiedene Arten umgehen.

1. Bündeln-zu-Shell-Freiraum (ringförmiger Bypass)
Zwischen den äußersten Rohren und der Innenwand der Hülle ist immer ein Zwischenraum. Dieser Ringspalt wird zum Einlegen und Entnehmen des Rohrbündels benötigt. Dieser Spalt wird in einem gut konstruierten Wärmetauscher mit Dichtungsstreifen (manchmal auch Bypass-Dichtungen genannt) oder Blindrohren gefüllt, die den Durchfluss einschränken. Bei den Dichtungsstreifen handelt es sich oft um flache Stahlstäbe oder PTFE-gefüllte Streifen, die an den Leitblechen befestigt sind, nach außen ragen und die Gehäusewand berühren.

Bei fehlenden, verschlissenen oder gerissenen Dichtungsstreifen fließt Flüssigkeit auf der Mantelseite problemlos durch den Ringspalt, ohne in das Rohrbündel einzudringen. Dies ist die Hauptumgehungsstraße.

2. Abstand zwischen Schallwand und Gehäuse
Die Schallwände sitzen nicht fest in der Schale. Für die Montage und Wärmeausdehnung ist ein kleiner Spielraum (normalerweise 1–3 mm) vorgesehen. Flüssigkeit kann über die Kanten jedes Leitblechs laufen, insbesondere über die Ober- und Unterseite, wo der Leitblechschnitt auftritt. Die Leckage in neuen Wärmetauschern ist gering (2-5 % des Gesamtdurchflusses). Wenn die Leitbleche jedoch beschädigt, verdreht, korrodiert oder erodiert werden, vergrößert sich der Abstand und der Bypass-Durchfluss nimmt erheblich zu.

Wasserschläge (Dampfschläge), in der mantelseitigen Flüssigkeit transportierte Fremdkörper und Korrosion von Metallleitblechkomponenten können zu Schäden an PTFE-Wärmetauscherleitblechen führen (PTFE-Rohre selbst korrodieren nicht, die Metallleitbleche und Stützplatten jedoch möglicherweise).

3. Abstand zwischen Rohr und Schallwand
Jede Schallwand hat ein Loch, durch das ein PTFE-Schlauch fließt. Um eine Bewegung des flexiblen PTFE-Schlauchs zu ermöglichen und ein Festklemmen während der thermischen Ausdehnung zu verhindern, ist ein Abstand von 0,2 bis 0,5 mm erforderlich. Durch diese kleinen ringförmigen Löcher kann Flüssigkeit entweichen. Bei den meisten Konstruktionen (normalerweise) ist die Leckage zwischen Rohr und Leitblech im Allgemeinen eine untergeordnete Ursache für den Bypass<5% of total bypass) due of the pressure drop across each baffle forcing flow down the many tube holes. However, the cumulative effect can be significant in exchangers with many baffles and low-viscosity fluids.

Gründe für PTFE-Bypass-Leckagewärmetauscher
Bei einer internen Untersuchung werden in der Regel eine oder mehrere der folgenden Erkrankungen festgestellt:

Abgenutzter oder fehlender Wetterschutz
Die Befestigung von Dichtbändern an Leitblechen erfolgt durch Schrauben, Klammern oder Schweißen. Schrauben können sich mit der Zeit lösen, Clips können versagen oder die Streifen selbst können korrodieren oder sich verschlechtern. Bei bestimmten vor Ort-reparierten Bündeln wurden die Dichtungsstreifen nach der Erneuerung-der Schläuche möglicherweise nicht wieder-installiert. Es kommt immer wieder vor, dass Dichtungsstreifen nur an wenigen Leitblechen vorhanden sind oder ganz fehlen.

Beschädigte Leitbleche,
Leitbleche können zerbrochen werden durch:

Dampfhammer – Wiederholte Stoßwellen können Metallleitbleche in der Nähe der Rohröffnungen verbiegen oder zerbrechen.

Korrosion - Stahlleitbleche können bei korrosiver Verwendung dünner werden und ihre Form verlieren (auch bei PTFE-Schläuchen).

Mechanische Einwirkung - Ablenkbleche könnten beim Einsetzen oder Entfernen des Bündels verbogen werden, wenn sie nicht richtig ausgerichtet sind.

Eine gebogene Schallwand passt nicht mehr eng an die Schale und schafft einen erheblichen Spielraum. Bei einem gebrochenen Leitblech fehlen möglicherweise Teile, die den Durchfluss ermöglichen.

Großer Schalenabstand vom Originaldesign
Einige der kostengünstigen PTFE-Wärmetauscher sind zur Vereinfachung der Herstellung mit übermäßigen Abständen zwischen Bündel-zu-Gehäuse konstruiert. Es kann ein Spalt von 10 mm oder mehr vorhanden sein. Dichtstreifen fehlen oder sind zu klein. In diesen Situationen ist die Bypass-Leckage ein Konstruktionsmerkmal und kann ohne eine umfassende Neukonstruktion nicht vollständig beseitigt werden.

So diagnostizieren Sie ein Bypass-Leck, ohne den Wärmetauscher zu öffnen
Bei Verdacht auf Bypass-Leckage:

Die Wärmeübertragungsrate, berechnet aus Einlass-/Auslasstemperaturen und Durchflussraten, ist viel niedriger als der Auslegungswert, obwohl die Rohre sauber sind und keine äußeren Lecks vorhanden sind.

Der gehäuseseitige Druckabfall ist geringer als die historischen Messwerte bei gleicher Durchflussrate. Ein geringerer Druckabfall bedeutet, dass die Flüssigkeit durch einen Kanal mit geringerem Widerstand (Bypass) fließt.

Die Temperaturänderung der mantelseitigen Flüssigkeit (ΔT) ist nicht wie erwartet und die Ausgangstemperatur der rohrseitigen Seite liegt ebenfalls außerhalb des Ziels.

Zunächst ist es wichtig, alternative Erklärungen für schlechte Leistung auszuschließen: Verschmutzung, eingeschlossene nicht{0}}kondensierbare Stoffe oder geringere Durchflussraten. Wenn diese verschwinden, liegt wahrscheinlich ein Leck im Bypass vor.

Korrekturmaßnahmen für Bypass-Leckagen
Die ordnungsgemäße Reparatur hängt von der Schwere und Zugänglichkeit des Rohrbündels ab.

1. Dichtungsstreifen austauschen (häufigste Lösung)
Bei Wärmetauschern mit abnehmbaren Rohrbündeln können bei einem geplanten Stillstand Dichtbänder eingelegt oder entfernt werden. Der Prozess ist:

Der Manteldeckel wird entfernt und das Rohrbündel herausgezogen.

Leitbleche werden überprüft. Entfernen Sie Schmutz und Korrosion aus den Rillen des vorhandenen Dichtungsstreifens.

Neue Dichtungsstreifen (häufig PTFE-imprägniertes Gewebe, Metallfederstreifen oder massive PTFE-Stäbe) werden auf die erforderliche Länge zugeschnitten und in die Schlitze an jeder Schallwand eingesetzt. Die Streifen müssen so herausragen, dass sie mit einer kleinen Presspassung (0,2–0,5 mm Kompression) an der Innenwand der Schale anliegen.

Die Streifen werden durch Schrauben oder durch Hämmern der Kanten der Schallwand (bei Metallstreifen) an Ort und Stelle gehalten. Bei einigen Designs werden die Streifen durch den Druck der Schale gegen die Schallwand gehalten.

Das Bundle wird neu installiert und der Austauscher wird getestet.

Diese Reparatur stellt normalerweise 90–100 % der verlorenen Leistung wieder her, sofern die Leitbleche nicht beschädigt sind.

2. Reparatur oder Austausch der Schallwand
Dichtungsstreifen allein können verbogene, gebrochene oder korrodierte Leitbleche nicht reparieren. Beschädigte Leitbleche sollten repariert oder ersetzt werden. Bei PTFE-Wärmetauschern bestehen die Leitbleche im Allgemeinen aus Metall (Edelstahl oder Kohlenstoffstahl), das sein kann:

Begradigt – Kleine Biegungen können in einer hydraulischen Presse flachgedrückt werden.

Geschweißte - Risse werden verschweißt und glattgeschliffen. Es wird darauf geachtet, die Schallwand nicht zu verformen.

Ersetzt – Stark beschädigte Leitbleche werden aus dem Bündel herausgeschnitten und neue Leitbleche werden auf die PTFE-Schläuche aufgeschraubt. Dies ist ein arbeitsintensiver Vorgang, der oft im Rahmen einer kompletten Rohrerneuerung durchgeführt wird.

Nach der Reparatur der Schallwand werden neue Dichtungsstreifen eingebaut.

3. Shell-Seitenflussanpassung (vorübergehende Abschwächung)
In Situationen, in denen eine sofortige Demontage nicht möglich ist, können Betriebseinstellungen die Bypass-Leckage teilweise ausgleichen. Durch Erhöhen der mantelseitigen Strömungsrate erhöht sich die Geschwindigkeit sowohl durch das Rohrbündel als auch durch die Bypassspalte. Da der Druckabfall mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zunimmt, kann eine höhere Durchflussrate den Flüssigkeitsanteil verbessern, der tatsächlich die Rohre durchquert. Dies behebt jedoch nicht die Grundursache und erhöht die Pumpenergie. Es handelt sich lediglich um eine vorübergehende Maßnahme.

4. Neugestaltung bei schwerwiegenden Freigabeproblemen
Bei Wärmetauschern mit prinzipbedingt zu großem Schalenspiel (schlechte Originalkonstruktion) kann eine Nachrüstung mit dickeren Dichtungsstreifen oder der Einbau von Blindrohren im Ringraum versucht werden. Blindrohre sind kurze PTFE-Schläuche, die in den äußersten Rohrlöchern platziert werden, aber an den Enden des Rohrbodens abgedichtet sind, sodass keine Flüssigkeit durch sie hindurchfließt. Sie nehmen Platz ein und blockieren die Umgehung. Dieser Ansatz erfordert das Bohren zusätzlicher Löcher in den Leitblechen und Rohrböden und wird normalerweise von einer spezialisierten Reparaturwerkstatt durchgeführt.

Beschreibung des Querschnitts-Schnittdiagramms (Textdarstellung)
Die folgende Beschreibung veranschaulicht die Bypass-Pfade in einem typischen PTFE-Rohrbündelwärmetauscher im Querschnitt:

Der äußere Kreis stellt die Innenwand der Schale dar.

Im Inneren stellt eine kreisförmige Anordnung kleiner Kreise die PTFE-Schläuche dar.

Der Spalt zwischen den äußersten Rohrkreisen und der Innenwand des Gehäuses ist der Abstand zwischen Bündel- und -Gehäuse (ringförmiger Bypass-Pfad). Bei einem gut konstruierten Wärmetauscher ragen Dichtungsstreifen (dargestellt als kleine, an der Schallwand angebrachte Rechtecke) in diesen Spalt hinein und berühren fast die Mantelwand.

Eine Schallwand wird als horizontale Linie dargestellt, die das Gehäuseinnere durchquert, mit Ausschnitten (dem Schallwandfenster) oben und unten. Flüssigkeit, die um die Ablenkblechkanten herum-durch das Ablenkblech-zum -Gehäusespalt-strömt, wird als Pfeile dargestellt, die zwischen der Ablenkblechspitze und der Gehäusewand verlaufen.

Kleine Pfeile zwischen den einzelnen Rohren und der Schallwand stellen Leckagen von Rohr -zu -der Schallwand dar.

Die Dichtleisten blockieren den ringförmigen Bypass. Wenn sie fehlen, zeigen große Pfeile eine ungehinderte Strömung durch den Ringspalt an.

Verhinderung von Bypass-Leckagen
Bypass-Leckagen werden am besten während der Konstruktion und Erstmontage verhindert:

Geben Sie eine Konstruktion der TEMA-Klasse R oder B an – Diese Standards definieren maximale Abstände und erfordern Dichtungsstreifen für Gehäusedurchmesser über einer bestimmten Größe.

Doppelte Dichtungsstreifen verwenden – Zwei Reihen Dichtungsstreifen pro Schallwand sorgen für Redundanz.

Überprüfen Sie die Dichtungsstreifen während des Schlauchneubaus. Fehlende oder beschädigte Streifen werden vor dem erneuten Zusammenbau ersetzt.

Vermeiden Sie Wasserschläge – Wie in entsprechenden Leitfäden beschrieben, beschädigen Dampfschläge die Leitbleche und lösen die Befestigungen der Dichtungsstreifen.

Eine regelmäßige interne Inspektion (alle 3–5 Jahre) sollte die Überprüfung der Dichtheit der Dichtungsstreifen und des Zustands der Leitbleche umfassen. Wenn früher eine Bypass-Leckage vermutet wird, kann ein Druckabfalltest bei einer bekannten Durchflussrate mit den Basisdaten verglichen werden.

Abschluss
Bypass-Leckagen sind ein Konstruktions- und Wartungsproblem, das die Leistung des PTFE-Wärmetauschers stillschweigend beeinträchtigt. Die primären Pfade sind der Bündel-{1}}zur-Granulat-Freiraum (ringförmiger Bypass) und der Prallblech--zu-Granulat-Freiraum. Fehlende oder verschlissene Dichtungsstreifen und beschädigte Leitbleche sind die häufigsten Ursachen. Eine interne Inspektion deckt diese Probleme häufig auf. Zu den Korrekturmaßnahmen gehören der Austausch von Dichtungsstreifen, die Reparatur oder der Austausch beschädigter Leitbleche und als vorübergehende Maßnahme die Erhöhung der mantelseitigen Strömung. Bei schwerwiegenden Abstandsproblemen können Blindrohre oder eine Neukonstruktion erforderlich sein. Ein Problem mit einem Bypass-Leckage-PTFE-Wärmetauscher kann die Wärmeübertragung um 10–30 % reduzieren, aber die meisten Fälle können während eines geplanten Ausfalls vollständig behoben werden. Eine ordnungsgemäße Fertigung mit geeigneten Dichtungsstreifen und regelmäßigen internen Inspektionen bewahren die thermische Effizienz und verlängern die Lebensdauer.