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Mittwoch, 18 Januar 2023 10:59

Trockendampf-Reinigung in der automatisierten Fertigung – Teil 11 – Versuchsbeschreibung Rohrreinigung – Entfernen von Oberflächenschmutz mit Heißdampf innerhalb von Rohrquerschnitten

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Geschätzte Lesezeit: 11 - 21 Minuten

Eine Sonderform der Trockendampf-Reinigung ist die Rohrreinigung. Das Verfahren kann auch hier die geforderte Reinigungsgeschwindigkeit der Rohrfertigung erreichen und sichere Ergebnisse bringen. Dabei spielen die äußeren Rohrdurchmesser und die Oberflächenstruktur eine untergeordnete Rolle. Vorletzter Teil der zwölfteiligen Reinigungsserie.

Versuche und Versuchsergebnisse mit Modellen der Dampfmaschinentechnologie, Wirkung von Sattdampf

Abb. 1: Adiabaten-Diagramm-Modell einer dampfgetriebenen KolbenmaschineAbb. 1: Adiabaten-Diagramm-Modell einer dampfgetriebenen KolbenmaschineDem Wasser im Dampferzeuger wird die Wärmemenge Q₁ kontinuierlich zugeführt, ausgeführt durch die elektrische Rohrmantel-Heizung. Da der Ausgangsquerschnitt des Dampferzeugers im Prozess unverändert in Größe und Form ist, der Druck über die Regelung der elektrischen Heizung mit einer Toleranz von +/- 0,5 bar konstant gehalten wird, bleibt auch die Temperatur am Ausgang des Dampferzeugers T1 mit +/- 2K nahezu konstant. Vom Startpunkt a erreicht nach einer Zeit t₁ das System den Punkt b, die Dampfmenge x₁ wurde produziert und strömt über das Düsenwerkzeug in den Rohrinnenquerschnitt (χ = Dampfmenge).

Bei etwa atmosphärischem Druck von 1 bar, das Manometer am Dampfkessel zeigt 0 bar an, nimmt 1 kg Dampf einen Raum von etwa 1700 Litern ein. Bei einem Druck von 10 bar, das Manometer zeigt einen Dampfüberdruck von 9 bar an, hat 1 kg Dampf nur noch ein Volumen von 240 Litern.

Wird 1 Liter Wasser (1 kg Wasser) von 0 auf 100 °C bei 0 bar Druck im Dampfkessel erwärmt, sind 417,5 kJ erforderlich. Wird diese Wassermenge von 1 kg Wasser vollständig in Dampf umgewandelt bei 0 bar Druck im Dampfkessel, sind weitere 2257,9 kJ erforderlich. Somit bedeuten 1 kg Frischwasser bei 0 bar Druck im Dampfkessel im Versuchsablauf einen Bedarf von ca. 2675,4 kJ elektrischer Heizenergie, d. h. 743 Wh Heizenergie. Die Verluste sind in dieser Rechnung gleich Null gesetzt.

Wird 1 Liter Wasser (1 kg Wasser) von 0 °C auf 180 °C bei 10 bar Druck im Dampfkessel erwärmt, sind 763 kJ erforderlich. Wird diese Wassermenge von 1 kg Wasser vollständig in Dampf umgewandelt bei 10 bar Druck im Dampfkessel, sind weitere 2014 kJ erforderlich. Somit bedeuten 1 kg Frischwasser im Versuchsablauf einen Bedarf von ca. 2777 kJ elektrischer Heizenergie, d. h. 771 Wh Heizenergie. Die Verluste sind in dieser Rechnung gleich Null gesetzt.

In Abbildung 1 werden die Modellannahmen für eine Kolbendampfmaschine als Übersicht aus Adiabaten abgebildet. Die von den Linien eingeschlossene Fläche ist die Arbeit, die Energie im System.

In Abbildung 2 werden die Modellannahmen für eine Rohrinnenflächen-Reinigungsdampfmaschine als Übersicht aus Adiabaten abgebildet. Die von den Linien eingeschlossene Fläche ist die Arbeit, die Energie im System. In diesem Modell wirkt die Arbeit in anderen Prozessen als unter Abbildung 1.

Abb. 2: Adiabaten-Diagramm-Modell einer dampfgetriebenen Rohrinnenflächen-Reinigungsanlage  Abb. 2: Adiabaten-Diagramm-Modell einer dampfgetriebenen Rohrinnenflächen-Reinigungsanlage Das Modell in der Abbildung 1 ist geschichtlich mehrfach ausgeführt und hinreichend bekannt. In Abwandlung dieses Modells wird in Abbildung 2 das Thema dieser Arbeit modelliert. Zunächst folgt die Erklärung des Modells aus Abbildung 1.

Es wird angenommen, das durch die Punkte a und b die Adiabaten ad und bc gelegt werden. Der Dampf expandiert adiabatisch von Punkt b nach Punkt c. Der Druck ändert sich von p1 auf p2.

Die Temperatur sinkt von T1 nach T2 und die spezifische Dampfmenge ändert sich im Wert von x₁ nach x2. In einer Kolbendampfmaschine würde jetzt der Kolben in die Ausgangslage bewegt. Die im Zylinderraum befindliche Masse wird auf diesem Weg c nach d bei konstantem Druck p2 und bei konstanter Temperatur T2 zusammengedrückt. Es wird der Punkt d erreicht und damit die Adiabate ad. In dieser Phase wird der Dampf kondensiert, die Wärmemenge Q2 wird abgeleitet und die spezifische Dampfmenge ändert den Wert von x2 zu x3, sie wird geringer. Da sich in unserem untersuchten Fall der Dampf nicht im Zylinderraum einer Dampfmaschine befindet, nehme ich diese Modellausbildung als Vorlage und passe diese meinen Bedingungen an.

Das Modell nach Abbildung 2

Der Rotationskörper fällt mechanisch vereinzelt im freien Fall in den Rohrinnenquerschnitt der Startstation a mit dem Druck pA*. Die nachfolgenden, vor der Sperre der mechanischen Vereinzelung liegenden Rotationskörper verschließen weitgehend die Verbindung zur Atmosphäre mit dem Druck pNA**. Es entsteht quasi eine Kammer, in der der Rotationskörper lageorientiert in Richtung Rohrinnenquerschnitt in Startposition liegt.

Alternativ wäre ein Einschießen, d. h. eine Anfangsbeschleunigung durch Einschießen des Rotationskörpers denkbar. Dieser Fall wurde in dieser Arbeit getestet, jedoch aus Zeitgründen nicht weiter untersucht. In den Testläufen war ein abweichendes Verhalten der Parameter der Reinigung sichtbar. Da aus den Proben keine wesentliche Besserung der Reinigungsergebnisse sichtbar war, wurde diese Versuchsrichtung abgebrochen.

Die Kontaktflächen zwischen Start-Kammer und zu reinigendem Rohr sind elektrisch nicht leitend. Die gesamte Rohrlänge ist elektrisch nicht leitend gelagert bzw. eingespannt. Zur Optimierung und einstellbaren Oberflächenladung des zu reinigenden Rohres wird die Rohroberfläche an eine einstellbare, beliebig polbare Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die angelegte Gleichspannung wird zwischen 0 bis 4 Volt bei 0 bis 0,1 A in den Versuchen variiert.

In unserem Modellfall wird der Adiabatenzug von x2 über x3 nach a nicht durch Kondensation im Rohrinnenquerschnitt durchlaufen, sondern der Dampf entweicht am Rohrausgang RE in die angrenzende Atmosphäre mit dem Druck PNE. Die mit abgelöstem Schmutz der Rohrinnenflächen beladenen Schwaden nehmen den Weg in den Kondensationstank, der als Sammeltank ausgeführt ist. Die angrenzende Atmosphäre wird über eine Venturi-Düse auf einen Unterdruck PNE von -100 mbar abgesenkt. Somit wird der Dampf als verschmutzte Schwade sicher als Dampf bis zum Kondensationsquerschnitt transportiert. Am Ausgang des Kondensationsquerschnitts tropft der kondensierte Dampf in den Sammeltank. Hier erfolgt durch Demulgation das Aufschwemmen der Öle und durch Absetzen die Bildung eines Bodensatzes, bestehend aus Spänen und Mineralresten. Da das durch mechanische Filtration aufbereitete Kondensat mit 40 °C bis 70 °C als gereinigtes Speisewasser mit einem Überdruck von 11 bar erneut in den Dampferzeuger gegeben wird, wird die Wassermenge im geschlossenen System im Kreis geführt. Eine geringe Frischwassermenge muss dem Prozess zugeführt werden. Wird also der Punkt x2 erreicht, bewegt sich der Rotationskörper aus dem Rohrinnenquerschnitt ins Freie, in die umgebende Atmosphäre mit dem Druck PNE.

Die Berechnungen zur Modellbeschreibung nach Abbildung 2

Die latenten Wärmen δ1 und δ2, haben die Temperaturen T1 und T2 . Die Wärmemenge Q1 wird auf dem „Adiabatenweg“ ab im Rohrquerschnitt frei. Luft, Rohrinnenwand und Rotationskörper nehmen diese Wärmemenge Q1 auf.

Q1 = x1 δ1<1>

Die Wärmemenge Q2, die der Luft im Rohr, der Rohrinnenwand und dem Rotationskörper im Prozess der Bewegung des Rotationskörpers durch den Rohrinnenquerschnitt entzogen bzw. durch Umwandlung der Energieform „verbraucht“ wird, berechnet sich

Q2 = δ2(x2 – x3)<2>

Diese Energie wird als Erwärmung von Rotationskörpern, von gereinigten Rohren und der Umgebung messbar. In dieser Arbeit werden die Werte dieser Energiemenge nicht ermittelt, da der Dampferzeuger genügend Reserven in der Leistung hat und für die Aufgabenstellung das Reinigungsergebnis der Rohrinnenflächen als wesentlich definiert. Hier liegen sicher Reserven für Energieeinsparungen für künftige Anlagen.

Die gewonnene Arbeit Lm ergibt sich aus

A Lm = Q1 – Q2<3>

Der Index m soll darauf verweisen, dass die Arbeit ALm einem Maximum nahe kommt. Wie in der Kolbenmaschine kann für das Modell von einem Carnot´schen Kreisprozess ausgegangen werden. In unserem Fall schwebt der Rotationskörper durch den Rohrinnenquerschnitt, auf einem Luft-Dampf- Polster, in einer Luft-Dampf-Strömung.

„Der Carnot-Prozess ist ein idealtypischer Kreisprozess dem das Fluid in einer Wärmekraftmaschine folgen muss um nach dem Durchlaufen des Prozesses denselben energetischen Zustand zu haben wie am Beginn des Prozesses. Der Prozess ist reversibel d. h. die Richtung in der der Prozess durchlaufen wird ist umkehrbar. Der Carnot-Prozess ist ein wichtiger Grundprozess der Thermodynamik, er wird als idealer theoretischer Vergleichsprozess verwendet um reale Prozesse zu untersuchen. Er ist ein WärmeKraft-Prozess. Er wurde von Nicolas Leonard Sadi Carnot eingeführt um zu untersuchen, wie effizient Wärmekraftmaschinen (damals insbesondere Dampfmaschinen) sein können. Praktisch kann der Carnot-Prozess nicht verwirklicht werden, er hat Modellcharakter.

Der Carnot-Prozess beruht auf der grundlegenden Beobachtung, dass Wärmeenergie, die beim Kontakt zweier Körper verschiedener Temperatur von einem Körper zum anderen fließt für die Gewinnung mechanischer Energie endgültig verloren ist. Daher muss ein idealer Prozess solche Kontakte vermeiden.“

(http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Carnot-Prozess.html )

gt 2023 01 082<4>

Die adiabate Kurve hat für dQ = 0, somit wird der Wert für P eine konstante Größe. Der Dampfdruck im Rohinnenquerschnitt wird nahezu konstant sein, da der Verlust durch Kondensation am Rohrausgang kontinuierlich am Rohreingang ergänzt wird, es ist ein Gleichgewicht.

Werden mehr als ein Rotationskörper im Rohr gleichzeitig bewegt, wird das Gleichgewicht gestört, ein Schwanken der Temperatur und des Druckes setzt ein, mögliche Kondensationen im Rohrinneren. Ganzzahlige Taktfolgen von Rotationskörpern, die gleichzeitig im Rohr unterwegs sind, beeinflussen sicher den Energieverlust. In Testversuchen wurden keine erkennbaren Vorteile von mehr als einem Rotationskörper gleichzeitig im Rohr erkannt. Es kam zu mechanischen Kollisionen der Rotationskörper miteinander und damit zu Unregelmäßigkeiten im Bewegungsverlauf, somit entstanden mechanische Verstopfungen. Es wird deshalb der Einsatz eines Rotationskörpers pro Umlauf vorgeschlagen und in Versuchsreihen untersucht. Mehrere Kugeln im Rohrinneren stören, ja unterbrechen, das Gleichgewicht zwischen Rohreingang und Rohrausgang. Die antreibende Strömung wird unregelmäßig unterbrochen und wird unregelmäßig der sich im Rohr bewegenden Kugel nachgeführt.

Für die Adiabate bc gilt:

bei einer adiabatischen Kurve, ist dQ = 0, folglich wird der Wert P = const.

Für die Adiabate bc im Kolbentrieb

gt 2023 01 083<5>

Für die Adiabate ad im Kolbentrieb

gt 2023 01 084<6>

Weil im Punkt a der Wert x = 0

Nach mehr als 30 min Anlagenbetrieb schaukeln sich Erwärmung und Abkühlung auf einen nahezu konstanten Druck im Rohr und auf eine stabile Rohrtemperatur beim Verlassen des gereinigten Rohres aus der Anlage.

Ausgehend von oben nachgewiesenen Aussagen leiten sich Übersichten von Temperatur, Druck und Zeitdiagrammen ab. Das Nachheizen von trockenem und/oder überhitztem Dampf zeigt wesentliche Temperaturerhöhungen im Rohrquerschnitt bei prozentual geringerer Heizleistung im Dampferzeuger.

Abbildung 3 zeigt die Energiewechsel und die Modellbildung für die Auslegung der Anlagentechnik.

Abb. 3: Temperaturspezifisches Wärmekapazität(Energiemenge)-  Diagramm für Verdampfung bei 10 bar und Überhitzung bis auf  320 °C (die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes  um 1 °K zu erwärmen)  Abb. 3: Temperaturspezifisches Wärmekapazität(Energiemenge)- Diagramm für Verdampfung bei 10 bar und Überhitzung bis auf 320 °C (die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes um 1 °K zu erwärmen)

In Anlehnung eines RWE-Diagramms aus dem Internet (Anwendungstechnik 1983) wird in grüner Farbe der Versuch dieser Arbeit eingetragen. Im Dampferzeuger wird Wasser auf 200 °C elektrisch erwärmt, aus dem Ausgang des Dampferzeugers strömt kontinuierlich trockener Dampf, nahezu ohne Wassertropfen, durch die Reinigungsdüsen. Der Druck von 9,5 bar bis 10 bar im Dampferzeuger wird über die Nutzungszeit gehalten. Die Dampfdüse mit Ansaugquerschnitt für Umgebungsluft wird mittels einer Warmluftpistole erwärmt, Raumtemperatur bis auf 320 °C. Angesaugte Luft und der Dampf, der aus dem Dampferzeuger kommt, werden in der Düse durch die Warmluft der Warmluftpistole erwärmt. Der ausströmende Dampf wird vor dem Ausströmen aus der Venturi-Düse überhitzt und durch die Zugabe der Warmluft mit dieser gemischt. Es bildet sich ein Gemisch aus Warmluft zwischen 20 bis 320 °C und überhitztem Wasserdampf aus dem Dampferzeuger. Die verfügbare Energie zur Reinigung der Rohrinnenfläche und zum Beschleunigen der Rotationskörper wird stufenlos variiert.

Die gemessenen Reinigungsergebnisse zeigen, dass bei vorgenannter maximaler Einstellung ein Minimum an Restverschmutzung im Rohr verbleibt, keine unerwünschten Fremdstoffe sind auf der Rohrinnenfläche nachweisbar. Somit wird mit dieser Einstellung als Versuch eine Rohrcharge über 6 Wochen gereinigt. Die Reinigungsergebnisse sind stabil, der Anlage arbeitet als System ohne Mängel.

Der Wasserkreislauf im System arbeitet wie im Modell beschrieben. Die Anzahl der Rotationskörperumläufe variiert zwischen 5 bis 30 Umläufen.

In Abbildung 4 wird auf ein Folienbeispiel der Fa. RWE verwiesen. Aus Abbildung 3 kann der grüne Kurventeil in dieses Diagramm übertragen werden. Somit sind die Bestandteile der zugeführten Wärme im Wert verschieden, in der Anwesenheit und ihrer Wirkung auf die Reinigungsaufgabe vergleichbar. Die Flüssigkeitswärme im Dampferzeuger (Blau in Abb. 4), die Verdampfungswärme oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Dampferzeuger (Orange) und die Überhitzungswärme durch elektrisches Nachheizen in der Düse (Rot) ergeben die zugeführte Wärme. Das Verdampfen bei bis zu 200 °C ergibt die Erhöhung der gewinnbaren mechanischen Arbeit, d. h. hier wird die erforderliche Bewegungsenergie für die Rotationskörper und die Strömungsenergie im Rohrinnenraum bereitgestellt. Unterhalb der horizontalen Linie durch den Punkt 1 befindet sich der Bereich der Abwärme. Die Flüssigkeitstanks und die Rohrleitungen sind die Bereiche der großen Energieverluste. In den Versuchen wurden diese Flächen von Außen mit Isolation 45 mm dick belegt.

Abb. 4: Temperaturspezifisches Wärmekapazität(Energiemenge)-  Diagramm für Verdampfung bei 1 bar und Überhitzung bis auf  320 °C, zugeführte Wärme   Abb. 4: Temperaturspezifisches Wärmekapazität(Energiemenge)- Diagramm für Verdampfung bei 1 bar und Überhitzung bis auf 320 °C, zugeführte Wärme

Die Bereiche der Kondensation und der Schwadenabsaugung wurden bewusst nicht isoliert. Hier muss der Wärmeverlust die Kondensation der Schwaden unterstützen. Die Venturi-Düse in der Schwadenabsaugung kühlt regelbar sicher die Schwaden auf 50 °C bis 70 °C warmes Kondensat im Sammeltank. Der Sammeltank jedoch ist maximal isoliert, da nur auf mindestens 40 °C erwärmtes Speisewasser für den Dampferzeuger eine hohe Lebensdauer der Mechanik des Dampferzeugers sichert.

In dem Diagramm in Abbildung 5 sind zwischen den Punkten 1-2-3-4-1 die nutzbaren Energien ablesbar. Unterhalb der Linie 1–5 bis zur Abszisse ist der Bereich der Verlustenergie, für die angestrebte Technologie nicht nutzbare Energie. In Abbildung 6 sind die Flächen schematisch herausgeschnitten.

Abb. 5: Temperaturspezifisches Wärmekapazität-Diagramm für Verdampfung bei 1 bar und Überhitzung bis auf 320 °C, zugeführte Wärme  Abb. 5: Temperaturspezifisches Wärmekapazität-Diagramm für Verdampfung bei 1 bar und Überhitzung bis auf 320 °C, zugeführte Wärme

Der Wirkungsgrad wächst mit steigender Temperatur im Dampferzeuger und mit wachsender Überhitzung. Es ist erkennbar, dass der Energieeinsatz im Überhitzungsbereich den Wirkungsgrad wirksamer erhöht. Somit wird in den Testversuchen dieser Arbeit mit Überhitzung beginnend von unterschiedlichen Ausgangsdrücken/Temperaturen gearbeitet.

Über die Ring-Transportstrecke des Dampfes ab Dampferzeugerausgang bis 16 m Schlauchlänge bei lichtem Schlauchquerschnitt von 5mm hat der Dampf 10 K bis 20 K an die Umgebung abgegeben. Für die Speisung der Düsen steht für alle Versuche gesättigter Dampf mit 5 bis 8 bar bei 150 bis 180 °C bereit.

Abb. 6: Wirkungsgrad aus der Verdampfung zur Erzeugung mechanischer Arbeit  Abb. 6: Wirkungsgrad aus der Verdampfung zur Erzeugung mechanischer Arbeit

Die besondere Bauform der Düse, eine Zweistoffdüse als Venturi-Düse mit Drall-Wirkung erlaubt die Mischung von Dampf mit einer Strömungsgeschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit im Austrittsquerschnitt. Zusätzliche Vollstrahldüsen mit Eintritt im Venturi-Düse-Kanal, verstärken die Sogwirkung am Lufteingang. Hallenluft wird hier angesaugt, diese mischt sich mit dem Dampf. Der Drall der Dampfströmung drängt die Dampfströmung nach außen. Es bildet sich eine schnell rotierende Strömungsröhre. In diese Strömungsröhre wird die Umgebungsluft gesaugt.

Für die Überhitzung wird in dem Ansaugquerschnitt der Luft mit einer Heizluftpistole erwärmte Luft geblasen, 100 bis 400 °C. Der Körper der Düse nimmt die Temperatur der erwärmten Luft an und wird somit zu einer beheizten Dampfdüse. Somit wird der ausströmende Dampf direkt nachgeheizt, strömt trotz der hohen Strömungsgeschwindigkeit mit höherer Temperatur als beim Verlassen des Dampferzeugers aus. Somit haben wir in diesen Testreihen eindeutig überhitzten Dampf in Mischung mit erwärmter Hallenluft. Die Mengenverhältnisse von Dampf und Luft wurden den Geräteabmessungen und der Arbeitsaufgabe angemessen. Die Dosierungen und Einstellungen von Temperatur und Druck am Rohrinnenquerschnitt-Eingang waren damit stufenlos möglich. Durch die Zugabe von Hallenluft erhielt die Kammer mit dem Rotationskörper durch den Anströmwiderstand des Rotationskörpers einen starken Dampf-Luft-Impuls. Dieser startete den Rotationskörper geschossartig. Über die Rohrlänge schwebte der Rotationskörper weitgehend ohne Wandberührung mit Geschossgeschwindigkeit durch das Rohr. Schon nach dem ersten Durchlauf hatte das Rohr eine Temperatur über 100 °C angenommen. Nach 3 Durchläufen hatte das Rohr Dampftemperatur, d. h. 150 bis 180 °C. Somit erfolgte die Reinigung der Rohrinnenfläche von Öl, Schmierkühlstoffen und Spänen sowie Mineralien zu 99 bis 100 %. Mit bis zu fünf Durchläufen des nur von Druckluft getriebenen Rotationskörpers erfolgte die Abkühlung des Rohres unter 50 °C und die 100%ige Trocknung.

Im gesamten Ablauf der Reinigung wird keine zusätzliche Chemie eingesetzt. Da es sich im Testfall um V2A Wärmetauscherrohre mit Innengewinde handelte, wurde auf Passivierungen verzichtet. Die Rohrinnenfläche wurde metallblank durch Druckluft auf Hallentemperatur gekühlt an die Verpackung, einer mit Folie ausgelegten Holzkiste, abgegeben. Die Oberflächentemperatur der Rohre zum Zeitpunkt des Verpackens lag niedriger 40 °C, da es sich um Kunststofffolie handelte.

Die sichtbare Prüfung der Innensauberkeit erfolgt durch einmaliges Schießen von weißen Schaumstoff-Zylindern per Druckluft durch das Innenrohr, wie Abbildung 7 zeigt. Der weiße Prüfzylinder war nach dem Prüfdurchlauf trocken und leicht grau, die Bilder zeigen Beispiele nach 22 Meter Gewinderohr mit 19 mm lichter Weite. Die Laborprüfprotokolle sind leider nicht öffentlich.

Abb. 7: Prüfschaumstoff nach der Reinigung von 22 m langen gewalzten Wärmetauscherrohren (22mm/V2A) 

Prüflauf- Bild Nummer

Bemerkung

1
gt 2023 01 071

Wärmetauscher Rohr-Gewinde gewalzt, lichter Durchmesser 19 mm
- Prüfzylinder aus - weißem Schaumstoff
- Einmalig mit Druckluft - durch die Rohrinnen-Länge - von 22m geschossen
Trocken und Restwert o.k.

2
gt 2023 01 072

Wärmetauscher Rohr-Gewinde gewalzt, lichter Durchmesser 19 mm
- Prüfzylinder aus - weißem Schaumstoff
- Einmalig mit Druckluft - durch die Rohrinnen-Länge - von 22m geschossen
Trocken und Restwert o.k.

3
gt 2023 01 073

Wärmetauscher Rohr-Gewinde gewalzt, lichter Durchmesser 19 mm
- Prüfzylinder aus - weißem Schaumstoff
- Einmalig mit Druckluft - durch die Rohrinnen-Länge - von 22m geschossen Trocken und Restwert o.k.

4
gt 2023 01 074

Wärmetauscher Rohr-Gewinde gewalzt, lichter Durchmesser 19 mm

- Prüfzylinder aus - weißem Schaumstoff
- Einmalig mit Druckluft - durch die Rohrinnen-Länge - von 22m geschossen Trocken und Restwert o.k.

5
gt 2023 01 075

Wärmetauscher Rohr-Gewinde gewalzt, lichter Durchmesser 19 mm
- Prüfzylinder aus - weißem Schaumstoff
- Einmalig mit Druckluft - durch die Rohrinnen-Länge - von 22m geschossen Trocken und Restwert o.k.

Technologische Parameter für erfolgreiches Oberflächenreinigen mit Heißdampf

Diese Zahlen sind theoretisch auf zwei verschiedenen Wegen ermittelt. Aussagen zu den Strömungsgeschwindigkeiten des Dampfes und der angesaugten Luft wurden auch ermittelt. Wesentlich für die Reinigung sind die galvanische Ladung und die Strömungsgeschwindigkeit. Die Temperatur beschleunigt wesentlich die Ladungstrennung bzw. den Ladungsausgleich zwischen Bauteiloberfläche und Schmutzpartikeln. Dampf kann auf Grund seiner physikalischen Eigenschaften keine mechanische Energie direkt übertragen. Da der Dampf beim Verlassen der Düse um ca. das 1700-fache im Volumen durch Kondensation verliert, entsteht immer ein Vakuum. Ist das System nicht luftdicht verschlossen, wird Luft angesaugt und erzeugt die Luftströmung. Diese kann durchaus nach den Gesetzen der Luftbewegung Partikel transportieren, ansaugen oder wegblasen. Der Ringspalt ist die „wandernde“ Ringdüse, d. h. die Form und die Querschnittsfläche bestimmen das Strömungsverhalten, legen Temperatur und Geschwindigkeit und den Energieverlust wesentlich fest. Zur Planung eines Systems müsste eine Formel hergeleitet werden. Der Dampf kondensiert mit ca. Mach 1, d. h. er eilt der angesaugten Luft voraus, bevor die Luft kommt, muss der Dampf kondensieren. Welcher Druck erreicht wird, ist derzeit noch nicht genau zu sagen, auch wenn Schätzungen und erste Rechnungen vorliegen. Es ist sicher, dass die „Reinigungsströmung”, bestehend aus kondensierendem Heißdampf und Luft mindestens 25 m/s mal 5 schnell sein muß, d. h. ca. 125 m/s und schneller. Diese Aussage basiert auf Versuchen mit gezogenen Drähten bei bis zu 35 m/s Drahtvorschub. Die Auffangstation muß die Luftmenge absaugen, die die Kugel vor sich her schiebt, besser noch etwas mehr. Wenn also von der Musteranlage ausgegangen wird, werden bis zu
21 m x (Dm 15 mm)2xPi/4 = Rohrinnenvolumen
mit der Kugelgeschwindigkeit bewegt. Die Kugel dürfte weniger als 1 s Zeit für den Weg benötigen, für die Rechnung also 1 s. Somit ergibt sich ca. 4 dm3/sec. Luft, also 14 m3/h. Somit ist es naheliegend, die Absaugdüse etwa doppelt so groß im Durchmesser bei gleicher Bauart wie die Dampfdüse auszulegen. Mit regulierbarer Druckluft gespeist, zwischen 4 bis 6 bar bei 8 mm Schlauchquerschnitt-Einspeisung, wird die Aufgabe gelöst.

Für die Rohrreinigung eines Wärmetauscherrohres mit 21m Rohrlänge ergeben sich folgende Berechnungen:

Die verbrauchte elektrische Heizleistung wurde in der Reinigungsanlage mit max. 14 kWh gemessen, für Außen- und für Innenreinigung im Parallelbetrieb.

Es wurden Wärmetauscherrohre mit 21 m Länge und einem Außendurchmesser von 22 mm nach dem Walzen innen und außen gereinigt.

Vergleichbare Aussagen ergeben sich bei einer Düsenspaltlänge von 180 mm mit 0,05 mm Spaltbreite, Schlitzdüse.

  • Welche Wassermenge Q? wird bei einer verbrauchten Energie(Wärme)-Menge Q= 14 kW h verdampft und kondensiert?

1. Erwärmen des Wassers auf Siedetemperatur (100 °C):

(Wa. = Wasser; Da. = Dampf) Q1 = m(Wa.) * cp(Wa.) * (100 °C–70 °C) = Q? kg * 4,2 kJ/kg/°C * 30 °C = 17640 kJ bei 140 Litern Wasser

2. Verdampfen des Wassers bei Siedetemperatur:

Q2 = m(W a.) * Delta HV(W a.) = Q? kg * 2256 kJ/kg = 157920 kJ bei 70 Litern Wasser,

3. Erwärmen des Dampfes von 100 auf 180 °C:

Q3 = m(Da.) * cp(Da.) * (180°C – 100 °C) = Q? kg * 2,0 kJ/kg/°C * 80 °C = 9800 kJ bei 61 kg W asserdampf

4. Überhitzen mittels Heizlüfter

Q4 = m(Da.)* cp(Da.) * (300 °C – 180 °C) = 20 kg * 2,0 kJ/Kg/°C * 120 °C = 4800 kJ → Q4= 1,33 kW h.

  • Gesamtwärmebedarf:

Q = Q1 + Q2 + Q3 = 50360 kJ (14 kW h) → + 1,33 kW h für die Überhitzung an der Dampfdüse

  • Gesamtwärmebedarf nach Erreichen der Betriebstemperaturen im Versuch bei 180 mm Düsenschlitz-Länge bei 0,05 mm Spaltweite : Q = 27447 kJ (ca. 7 kW h)
  • 14 kW h= Q? kg * 4,2 kJ/kg/°C * 30 °C + Q? kg * 2256 kJ/kg + Q? kg * 2,0 kJ/kg/°C * 80 °C
  • Q? = 50360 kJ /(4,2 kJ/kg/°C * 30 °C + 2256 kJ/kg + 2,0 kJ/kg/°C * 80 °C )
  • Q? = 50360kJ /(126kJ/kg + 2256kJ/kg + 160kJ/kg)=50360kJ / 2542kJ/kg= 19,8 kg Wasser
  • Es werden 20 Liter Wasser pro Stunde zu überhitzten Dampf umgewandelt, die die Arbeitsdüse durchströmen
  • Da die Schwaden im Arbeitsbereich der Dampfdüse sofort kontinuierlich abgesaugt und im Sammeltank kondensiert werden ergeben sich Frischwassermengen aus der Frischwasserleitung von weniger als 5 Liter/h.

Umrechnung in kW h (1 kW h = 3600 kJ): 50360 kJ ca.= 14 kW h

  • Der Energieverbrauch ist verglichen mit anderen Systemen sehr gering. Der Vorschub der Arbeitsdüse kann bis zu 10 m/sec betragen. Die Leistungsbegrenzung wird durch die Eigenschaften des abgereinigten Schmutzes begrenzt. Bei gezogenem Schweißdraht sind 10 m/sec erprobt, bei ebenen Flächen mit „Flachdüse 180 mm“ 2 m/sec. Der Düsenabstand Austritt – Düse zu Oberfläche – Bauteil sollte zwischen 5 bis 30 mm liegen, je kleiner desto wirkungsvoller die Reinigung.

Wesentlich für die Reinigung sind die galvanische Ladung und die Höhe der Strömungsgeschwindigkeit. Die höhere Temperatur beschleunigt wesentlich die Ladungstrennung bzw. den Ladungsausgleich zwischen Bauteiloberfläche und Schmutzpartikeln.

Der HD-Dampf allein kann aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften nicht ausreichende mechanische Energie zum Abtransport der Schmutzpartikel erzeugen. Da der HD-Dampf beim Verlassen der Düse um ca. das 1700-fache im Volumen durch Kondensation verliert, wird Luft angesaugt und es wird damit Luftströmung erzeugt. Diese Luftströmung kann die Schmutzpartikel transportieren, sie ansaugen oder wegblasen.

Der Ringspalt ist die „wandernde“ Ringdüse, d. h. die Form und die Querschnittsfläche bestimmen das Strömungsverhalten, legen Temperatur und Geschwindigkeit sowie den Energieverlust wesentlich fest. Für die Projektierung von Reinigungssystemen wird in weiteren Versuchsreihen eine Berechnung für unterschiedliche Reinigungsaufgaben erstellt werden, die mit den ermittelten Parametern die Projektierung einer Reinigungsanlage sicher ermöglichen.

Der Dampf kondensiert mit ca. Mach 1 im Rohrinnendurchmesser. Der Ringspalt zwischen Kugel und lichtem Rohrdurchmesser ist für das Reinigungsergebnis signifikant bestimmend.

Es ist sicher, dass die „Reinigungsströmung“ im Ringspalt bestehend aus kondensierendem Heißdampf und geheizter Luft mindestens 25m/sec mal fünf schnell sein muss, d. h. ca. 125 m/sec und schneller. Diese Aussagen werden in den Drahtversuchen mit gezogenen Drähten ermittelt. An der Vervollständigung der Berechnungen wird gearbeitet.

Die Auffangstation der Kugel muss die Luftmenge absaugen, die die Kugel vor sich her schiebt, besser noch etwas mehr.

Wenn von der Musteranlage ausgegangen wird, werden bis zu 21 m x (Dm 15mm)2 x Pi/4 = Rohrinnenvolumen mit der Kugelgeschwindigkeit bewegt. Die Kugel benötigt weniger als 1 sec für den Wege durch das 21 m lange Rohr, für die Berechnung wird 1 sec angenommen. Damit ergeben sich ca. 4 dm3/sec Luft/Schwaden, also 14 m3/h. Somit ist es naheliegend, die Absaugdüse etwa doppelt so groß im Durchmesser bei gleicher Bauart wie die Dampfdüse auszulegen. Mit regulierbarer Druckluft gespeist, zwischen 4 und 6 bar bei 8 mm Schlauchquerschnitt-Einspeisung wird die Aufgabe erfüllt.

Gedanken zur Reinigung von Rohr- oberflächen mittels galvanischem HD-Dampf

In den Versuchen wurde nachgewiesen, dass die geforderte Reinigungsgeschwindigkeit der Rohrfertigung, kleiner 5m/sec mit diesem HD-Dampf-Verfahren, mit dieser Technologie sichere Ergebnisse bringt. Die äußeren Rohrdurchmesser und die Oberflächenstruktur, glatt oder gewalzt, spielen eine untergeordnete Rolle. Für die inneren Rohrflächen gilt die gleiche Aussage.

Gebogene Rohre können außen ohne Einschränkung gereinigt werden. Innenquerschnitte der Rohrkrümmungen müssen den sicheren Durchlass der Kugel zulassen. Sind Differenzen im Ringspalt mit mehr als 10 % zu reinigen, kann es in den Querschnitterweiterungen zu Kondensation, damit zu Ablagerungen kommen. Das Kühlblasen mit Druckluft schafft hier nur begrenzt den Ausgleich.

Wenn möglich sollte mindestens die Düse galvanisch mit 3 Volt geladen werden. Besser wäre die zusätzliche Ladung der zu reinigenden Rohre.

* pA = Normal Überdruck zur Atmosphäre
** pNA = Druck gegenüber Normaldruck Atmosphäre

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 1
  • Jahr: 2023
  • Autoren: Jürgen Hannemann
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