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MODERNE OBERFLÄCHENBEHANDLUNGEN
VON HOCHWERTIGEN EDELSTAHLROHREN
FÜR DEN WÄRMETAUSCHEREINSATZ
Aufsatz Nr. 35 / Rev. 01
Dr.-Ing. Georg Henkel
Dipl.-Ing. Benedikt Henkel
The component‘s
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MODERNE OBERFLÄCHENBEHANDLUNGEN VON HOCHWERTIGEN
EDELSTAHLROHREN FÜR DEN WÄRMETAUSCHEREINSATZ
Einleitung
Verdampferanlagen nach Rohrbündelsystem oder ähnlicher Bauweise in der chemischen Industrie, der Nahrungsmittelindustrie wie auch in der Zellstoffindustrie sind prinzipiell Wärmetauscher, deren Funktion es ist, Wärmeenergie von dem das Rohr umgebenden Medium in das
im Rohr strömende Medium zu transportieren – oder umgekehrt. Die thermodynamische Aufgabenstellung ist somit grundsätzlich das Phänomen des Wärmedurchgangs durch die
Rohrwandung (Wärmeleitung) und die beidseitig vorliegenden Grenzschichten (Wärmekonvektion).
Das Rohrmaterial besteht dabei aus nahtlosen oder aber hochwertigen längsgeschweißten
Edelstahlrohren der Legierungsqualität 1.4301, 1.4404/1.4435, 1.4571, 1.4539 oder ähnlich,
wobei speziell aus der Sicht der Korrosionstechnik zunehmend höherlegierte Legierungswerkstoffe Verwendung finden.
T ...
Tu ...
Ts ...
Tu > T s
s ...
λ ...
αu ...
.α ...
s
Q ...
Temperatur [K]
Temperatur des umgebenden Mediums [K]
Temperatur des strömenden Mediums [K]
Rohrwandstärke [m]
spez. Wärmeleitwert des Rohrmaterials [W/Km]
Wärmeübergangszahl an der Rohraußenfläche [W/Km²]
Wärmeübergangszahl an der Rohrinnenfläche [W/Km²]
transportierte Wärmeenergiemenge pro
Zeiteinheit [W]
Abb. 1
Wärmedurchgangssituation beim Wärmeenergietransport vom umgebenden Medium zum strömenden Medium
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Für den Wärmeenergietransport vom umgebenden zum strömenden Medium gilt somit
A ⋅ ( Tu - Ts )
Q& =
= k ⋅ A ⋅ ( Tu - Ts )
s
1
1
+ +
(1)
αu
λ
αs
Hierbei ist k = k (αu, s, λ, αs) die spez. Wärmedurchgangszahl des Rohrmaterials [W/m2K]
A = Rohroberfläche [m2]
.
Infolge des Transportes des Rohrmediums in Rohrlängsrichtung wird die übertragene Wärmemenge Q laufend abtransportiert, wobei gilt
(2)
Q& = m& ⋅ c ⋅ ( Ts ausgang - Ts eingang )
(3)
m& = w ⋅ AR ⋅ ρ
mit
.
m
w
AR
ρ
c
Ts ausgang
Ts eingang
= zeitlicher Massefluß des strömenden Mediums [kg/s]
= Geschwindigkeit des strömenden Mediums im Rohr [m/s]
= Rohrquerschnitt [m2]
= Dichte des strömenden Mediums [kg/m3]
= spez. Wärme des strömenden Mediums [J/kgK]
= Temperatur des strömenden Mediums beim Rohraustritt [K]
= Temperatur des strömenden Mediums beim Rohreintritt [K]
Die konstruktive Auslegung des Verdampfers ergibt sich damit im wesentlichen aus der
Gleichung (1), dass transportierte Wärmeenergie gleich dem Produkt aus Verdampferoberfläche, Wärmedurchgangszahl und Temperaturdifferenz ist, bzw. aus Gleichung (2), dass diese
Wärmemenge vor allem durch die Strömungsgeschwindigkeit durch den Rohrquerschnitt
abtransportiert wird.
Weiters ist aus den Gleichungen zu erkennen, dass die Leistung des Wärmetauschers neben
den spezifischen Größen des Rohrmaterials (z.B. λ) auch von der Wanddicke s der Rohre
deutlich beeinflusst wird. Die Wanddicke s wird als ein optimaler Kompromiss zwischen
Wärmeleitung (möglichst kleines s) und Druckfestigkeit (möglichst großes s) zu ermitteln sein.
Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass die tatsächlichen Betriebswerte die Richtigkeit der
thermodynamischen Grundgleichungen scheinbar in Frage stellen, zumal die im Betrieb
tatsächlich transportierte Wärmemenge Q in der Zeiteinheit meist wesentlich kleiner ist, als die
theoretisch berechnete Größe und vor allem mit fortschreitender Betriebszeit immer kleiner wird.
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Die Folge dieser tendenziellen Erscheinungen sind zunächst Betriebsstörungen in Form von
Kapazitätsreduzierungen bzw. zwischenzeitlichem Mehraufwand an Pumpenenergie und
schließlich Stillegung der Anlage mit entsprechendem Reinigungsaufwand des Wärmetauschers. Diese Abfolge unbequemer Erfahrungen ist vielen Betreibern von Wärmetauscheranlagen sehr bekannt.
Problemdarstellung
Die Analyse der Praxiserscheinungen zeigt, dass der bestimmende Faktor für die ungünstige
Entwicklung des Wärmeenergietransportes hauptsächlich in der zeitlich zunehmend starken
Reduzierung des Wärmedurchgangswertes k zu suchen ist, der die Leistung der Wärmetauscheranlage im wesentlichen bestimmt.
Ergänzende praxisrelevante Versuche bestätigen, dass der Wärmedurchgangswert k bei
einfach standardisierten Innenoberflächenausführungen der Edelstahlrohre (z.B. kaltgezogen,
geglüht und chemisch gebeizt, mechanisch geschliffen, Schweißnaht überarbeitet, etc.) oft
schon nach wenigen Betriebsstunden drastisch abfällt. Meist werden dabei – je nach
Fließmedium – Reduktionen im Wärmedurchgangswert
k
bis auf ein Zehntel des
Anfangswertes ermittelt, wobei der Anfangswert bei metallisch blanker Oberfläche bestimmt
wird.
Abb. 2
Verringerung des k-Wertes in Abhängigkeit der
Betriebszeit infolge Verkrustung der Rohrinnnoberflächen des Wärmetauscherrohres 1.4404 mit
Standardoberfläche (geglüht, gebeizt). k-Wert
Abfall nach 50 h Betriebszeit.
Abb. 3
Beispiel für Rohrverkrustung
Abb. 4
Beispiel für Rohrverkrustung
an der Lochplatte; die beiden
verkrustungsfreien Rohre sind
nach dem
®
HENKEL-Verfahren HE110
elektrochemisch polierte Testrohre
Als Begründung für diesen Effekt hat man erkannt, dass sich mit fortschreitender Betriebszeit
auf der Metalloberfläche an der Rohrinnenseite ein stetig wachsender Belag ausbildet, der aus
angelegten, meist kristallisierenden Substanzen des Fließmediums besteht (Verkrustung), und
welcher selbstverständlich für die Abnahme des Wärmedurchgangswertes k direkt verantwortlich ist.
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In den meisten Fällen zeigt sich die Tendenz, dass (einzelne) Rohre bei weiterer Betriebszeit
völlig zuwachsen und andere zumindest deutliche Beläge (Querschnittsverengungen,
Wärmeisolationsschichten) erfahren. Während die Verminderung der Wärmedurchgangszahl k
und der Rohrquerschnittsfläche AR im Anfangsstadium hinsichtlich der Betriebskontinuität durch
erhöhten Energieaufwand (Wärmeangebot bzw. Erhöhung von Tu, Pumpleistung bzw. Erhöhung
von w) kompensiert werden kann, bedingt ein überwiegendes Zuwachsen der Rohre einen
Anlagenstillstand und einen intensiven Reinigungsaufwand der Rohre.
Speziell bei der notwendigen Inspektion nach der Reinigung der Rohre ist dabei häufig
nachhaltige Rostkorrosion der Edelstahlrohroberfläche zu erkennen, wobei die Korrosionen
durch verschiedene Einflüsse begünstigt typisch unter der belegenden Verkrustung entstanden
sind.
Weiters erkennt man bei mikroskopischer Prüfung der gereinigten Edelstahloberflächen bei
Standardrohren auch verbliebene Verkrustungsrestverunreinigungen, die praktisch als sehr
aktive Keimstellen für Neuverkrustungen beim neuerlichen Anlagenbetrieb wirksam werden.
Diese Problemstellen treten oft an typischen Defektstellen von Standardrohren auf :
-
typische Schweißnahtdefekte in längsnahtgeschweißten Rohren wie lokale (scharfe)
Einbrände, Poren im Nahtbereich, etc.
-
typische lokale Oberflächenflitter (Dopplungen) vom Walzband bei längsgeschweißten
Rohren bzw. bei kalt gezogenen Rohren
-
Bereiche typischer Glühfehler und Vorlage entsprechend rauer Fe-Oxidrückstände
-
Bereiche von mechanischen Beschädigungen durch Kaltziehfehler
-
mikroskopisch scharfe Oberflächenstrukturen
prozesse (mechan. Schleifen, Walzen, etc.)
durch
mechanische
Bearbeitungs-
Alle diese Defekte sind bei Standardedelstahlrohren ohne besondere Bestellkriterien typisch und
häufig anzutreffen und stellen für die Verwendung als hochwertige Wärmetauscherrohre meist
erhebliche Probleme dar, die im Praxisbetrieb die beschriebenen Störfälle verursachen.
Aus thermodynamischer Sicht ist eine Schichtbildung in Form einer Verkrustung einfach mit
einer Reduzierung des k-Wertes und damit mit einer Reduzierung des Wärmedurchgangswertes Q in Verbindung zu bringen.
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sk ...
Schichtdicke der Verkrustung
λk ...
Wärmeleitwert der Verkrustungsschicht
TSk ...
gegenüber Ts reduzierte Temperatur des
.
Qk ...
strömenden Mediums
.
gegenüber Q reduzierte transportierte
Wärmemenge pro Zeiteinheit
Abb. 5
Veränderte Wärmedurchgangssituation beim Wärmeenergietransport vom umgebenden zum strömenden Medium infolge
Verkrustungsschicht sk
Im Vergleich zu Gleichung (1) und (2) bzw. (3) zeigt der Schichtaufbau der Verkrustung sk den
folgenden Zusammenhang zwischen der Schichtbildung und der Verminderung der Wärmeleistung bzw. der Verminderung des Wirkungsgrades des Wärmetauschers
(4)
Q& > Q& k =
1
αu
wobei vor allem
A ⋅ ( Tu - Tsk )
= k k ⋅ A ⋅ ( Tu - Tsk )
1
s sk
+ +
+
λ
λk
αs
.
.
infolge λk << λ
auch kk << k und auch Qk << Q wird,
zumal die Schicht sk (mit kleinem λk) praktisch wie eine Isolationsschicht wirkt.
Für den Wärmetransport in Rohrlängsrichtung zeigt sich aus Gleichung (2) und (3)
(2)
Q& = w ⋅ A R ⋅ ρ ⋅ c ( T s ausgang - T s eingang
(5)
Q& > Q& K = wK ⋅ ARK ⋅ ρ ⋅ c ( Tsk ausgang - Tsk eingang
.
)
)
.
dass für die Leistungskonstanz, also Qk ≈ Q, vor allem infolge der Reduzierung von ARk
gegenüber AR und von (Tsk ausgang – Tsk eingang) gegenüber (Ts ausgang – Ts eingang) die
Strömungsgeschwindigkeit wk gegenüber w wesentlich gesteigert werden müsste, wodurch
vor allem eine deutliche Erhöhung der Pumpenleistung notwendig wird, ohne näher darauf
einzugehen, dass hierdurch wiederum wesentliche Kenndaten der Anlage verändert werden,
welche der Grundkonzeption der Anlage eindeutig widersprechen würden.
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Kennzeichnung des Zusammenhanges zwischen der Neigung zur Belagbildung und der
Oberflächenbeschaffenheit des Edelstahlrohres, Charakteristik der Belagbildung
Es ist bekannt, dass es bei der Berührung zwischen mechanisch bearbeiteten bzw. chemisch
gebeizten Edelstahloberflächen und dem fließenden Medium speziell auch bei turbulenter
Strömung in der strömungstechnisch beruhigten Grenzschicht grundsätzlich zu sogenannten
chemo-physikalischen Reaktionen von Medienpartikeln mit den Berührungsflächen kommt,
wodurch sich auf der Edelstahloberfläche punktförmig wachsend eine Belagschicht aufbaut,
welche dem Charakter nach eine Zwischen- oder Grenzschicht darstellt, indem sich Partikel
bevorzugt verankern und sodann weitere Partikel des Mediums an sich anlagern, wodurch
letztlich geschlossene Schichtenbildung entsteht.
Der Mechanismus des wachsenden Schichtaufbaues hängt neben den spezifischen
Verhältnissen von Medium (Parameter)/ Edelstahloberfläche vor allem auch von zu
beeinflussenden Größen der Edelstahloberfläche (Topographie, Morphologie, Energieniveau) ab
und kann durch entsprechende Optimierung der Größen Topographie, Morphologie,
Energieniveau in erheblichem Umfang beeinflusst und gesteuert werden. Diese Optimierung
beginnt bei der richtigen Materialwahl, der exakten Spezifikation der Rohrqualität
(Defektminimierung durch Verfahrensangaben und Durchführung von speziellen Prüfverfahren)
und der Spezifikation geeigneter Oberflächenbehandlungsverfahren/ Prüfverfahren für die
sensible Rohrinnenoberfläche durch fachgerechtes elektrochemisches Polieren nach
erprobten Verfahren.
Die Untersuchung der durch Schleifen und Polieren mechanisch bearbeiteten oder durch
chemisches Beizen nachbehandelten Oberflächen des Standard-Edelstahlrohres hat gezeigt,
dass sowohl nach geometrischen als auch nach energetischen Gesichtspunkten relativ
ungünstige Verhältnisse vorliegen. Die Topographie der Oberfläche zeigt eine scharfkantige
bzw. zerklüftete Gebirgslandschaft, deren Struktur ein Verankern von Fremdteilen grundsätzlich
unterstützt.
Profilkurve für die Standardoberfläche eines rostbeständigen Stahls. Rautiefe Ra 0,32 µm. Vergrößerung 10.000-fach
kaltgezogene/kaltgewalzte
Edelstahloberfläche chemisch gebeizt
Abb. 6
Oberflächenstrukturen im typischen Rauheitsprofil; gemessen mit Hommel T 1000; lt = 4,8 mm
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Die morphologische Untersuchung der Metallstruktur zeigt, dass Gefügeänderungen infolge
mechanischer Bearbeitung stattgefunden haben, wodurch eine deutliche Verschiebung des
Energieniveaus der Oberfläche zu höheren Werten hin entstanden ist, was wiederum eine
höhere Affinität zur Fremdstoffanlagerung bewirkt bzw. Keimcharakter für die Kristallisation von
Fremdstoffen aus dem strömenden Medium schafft. Die Ergebnisse zeigen, dass die
Keimbildung für das Schichtenwachstum des Belages weitgehend in der Eigenschaft der
Metalloberfläche begründet liegt bzw. dass der mechanisch geschliffene bzw. kaltgefertigte und
gebeizte Zustand der Edelstahloberfläche belegende Schichtenbildung begünstigt.
1 Austenit
2 Austenit und kalt verformter Ferrit
3 kaltverformter Ferrit
4 kaltverformter Ferrit und verformter Austenit
5 verformter Austenit
6 stark verformte Körner mit oxidischen Einschlüssen
7 verschiedene Oxide
Abb. 7
Darstellung der nachteiligen Folgen von mechanischer Vorbearbeitung und Beseitigung dieser Nachteile durch elektrochemisches
Polieren. (Quelle : J. Wulff; The Metallurgy of Surface Finish; Cambridge / Mass. 1983)
Das obige Diagramm zeigt in klarer Weise den Einfluss der mechanischen Oberflächenbearbeitung auf die Tiefe der hierdurch veränderten Schicht. Im Vergleich dazu weist
eine nach HENKEL-Verfahren®HE110 elektropolierte Metalloberfläche die ungestörte Struktur
des Werkstoffs auf. Sie allein bietet an allen Punkten die unverfälschten Eigenschaften des
Grundmaterials und garantiert eine absolute Reinheit. Damit entspricht ein elektropoliertes
Werkstück auch den höchsten Forderungen aller Fertigungsbereiche der metallverarbeitenden
Industrie. Gestörte Randzonen einer Metalloberfläche können verlässlich nur durch
Elektropolieren beseitigt werden.
Es ist ein Trugschluss, die Qualität einer Metalloberfläche durch Angabe eines Rautiefenwertes
bestimmen zu wollen, denn damit wird lediglich eine quantitative Vergleichsgröße angegeben,
die eine echte Vorstellung von der effektiven Oberflächengestalt nicht vermitteln kann. Über die
chemische Zusammensetzung über Verunreinigungen in der Oberfläche, über die kristalline
Struktur, über Mikrorisse oder über den Spannungszustand der äußersten Schichten sagt dieser
Wert ohnehin nichts aus.
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Verbesserung der Oberflächenverhältnisse durch fachgerechtes elektrochemisches
Polieren
Versuche in der Richtung, die medienberührten Edelstahloberflächen technologisch durch eine
gezielte Behandlung durch elektrochemisches Polieren mit einem Abtrag von ca. 12 – 15 µm zu
verbessern, waren ausnahmslos positiv. Die Topographie der Oberflächen (Rauhigkeit Ra, Rz)
zeigt sich bei mikroskopischer Betrachtung (V 500 bis 3.000-fach) ideal verrundet und
eingeebnet. Die mechanisch beschädigte Materialschicht ist abgetragen, wodurch das
Energieniveau der Oberfläche auf ein Minimum reduziert wurde. Die vorher relativ aktive
Edelstahloberfläche stellt sich nun völlig passiv dar und zeigt eine wesentlich reduzierte Neigung
für die Anhaftung von Fremdsubstanzen (strukturell wie energetisch).
Profilkurve für die Standardoberfläche eines
Edelstahlrohres 1.4404 chemisch gebeizt
Rautiefe Ra = 0,32 µm, Vergrößerung 10.000-fach
Aussehen nach 80 Stunden Betriebszeit
in einem Eindampfapparat für
Zellstoffablauge (typische Belagbildung)
Profilkurve für ein nach HENKEL-Verfahren®HE110
elektrochemisch poliertes Edelstahlrohr 1.4404, Abtrag 15
µm, Rautiefe Ra = 0,20 µm, Vergrößerung 10.000-fach
Aussehen nach 80 Stunden Betriebszeit
Abb. 8
- frei von Verkrustungen
Verhaltensunterschied gebeizter und elektrochemisch polierter Edelstahloberflächen im Betrieb
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Die chromoxidreiche Passivschicht zeigt eine gleichmäßige Dicke von ca. 1,5 – 2 nm; das
Chrom-Eisenverhältnis in der Passivschicht zeigt Werte von ca. > 1,5 : 1, wobei die
Messtechniken AUGER und ESCA durchwegs gut reproduzierbare Werte zulassen.
Die praktischen Ergebnisse mit fachgerecht elektrochemisch polierten und konditionierten
Edelstahloberflächen gehen konform mit den aus der Theorie zu erwartenden Auswirkungen.
Der Zusammenhang zwischen dem Oberflächenzustand (Energieniveau, Rauhtiefe) und dem
zeitlichen Verhalten der Wärmedurchgangszahl k bzw. der Belagbildung ist offensichtlich. Da
die Belagkeimbildung vermieden wird, ist auch ein Schichtenaufbau nicht mehr zu erwarten,
bzw. in Sonderfällen nur mehr in sehr abgeschwächter Form festzustellen.
Die Versuche haben durchwegs gezeigt, dass fachgerecht elektrochemisch polierte
Edelstahloberflächen Belagbildungen verhindern oder zumindest stark vermindern und somit
wesentliche Produktionskosteneinsparungen erzielen lassen.
Ziel:
Untersuchung der Veränderung der Wärmeübertragung bei Verkrustung. Einfluss der Rohroberfläche auf die Entstehung von Verkrustungen.
Ergebnis:
Der Versuchsapparat war ein Eindampfapparat mit Zwangsumwälzung.
Strömungsgeschwindigkeiten von 1 bzw. 1,5 m/s. Arbeitslösung ist Schwarzlauge mit 55-64%
Feststoffgehalt.
Verwendung längsgeschweißter Edelstahlrohre 1.4404, 51 x 1,5 mm. Standardausführung chemisch
gebeizt.
®
.
Sonderausführung elektrochemisch poliert nach HENKEL-Verfahren HE110, Abtrag 13 µm.
Nach 60 h: Verkrustungsbeginn bei gebeizten Rohren.
Nach 200 h: elektrochemisch polierte Rohre sind noch völlig belagfrei.
Der k-Wert ist konstant.
Abb. 9
Verhalten des k- (λ) Wertes bei gebeizten und elektrochemisch polierten Rohren nach dem HENKEL-Verfahren®HE110
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Schlussbemerkungen
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Vielzahl der Betriebsprobleme mit leistungsschwankenden bzw. inkrustierten Wärmetauschern in Verdampfersystemen dadurch gelöst
werden können, indem die verwendeten Edelstahlrohre fachgerecht elektrochemisch poliert
werden.
Allerdings ist es von fundamentaler Bedeutung, dass zur Erzeugung technisch erstklassiger
elektrochemisch polierter Rohre eine möglichst fehlerfreie Vorware in Form exakt spezifizierter
und geprüfter Edelstahlrohrqualität Verwendung findet. Der Einsatz von Rohrstandardqualitäten
nach DIN bzw. ISO ist erfahrungsgemäß eindeutig nicht ausreichend hinsichtlich der
allgemeinen Fertigungs- und Prüfkriterien. Deshalb empfiehlt es sich neben der kritischen
Auswahl der richtigen Werkstofflegierung, der Rohrfertigungsart (nahtlos/geschweißt) auch für
die Rohrherstellung und die Abnahmeprozedur vom Rohrwerk eine Reihe von ergänzenden
technischen Kriterien vorzugeben und sodann durch fachgerechtes elektrochemisches Polieren
dem Apparatebauer bzw. dem Nutzer hochwertiges, geprüftes und zertifiziertes Rohrhalbzeug
zur Verfügung zu stellen, das den Betriebsanforderungen in optimaler Weise entspricht und
kostenintensive Betriebsstörfälle weitgehend vermeiden lässt.
Umfangreiche praktische Erfahrungen in dieser Richtung haben gezeigt, dass fachgerecht
elektrochemisch polierte Edelstahlrohre mit spezifischen Qualitäts- und Prüfkriterien wesentliche Einsparungen im Betriebsalltag erzielen lassen.
Für weitere Auskünfte stehen wir Ihnen gern zur Verfügung
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Inconel®), Duplex, Aluminium, Kupfer,
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Rev. 24.09.2009
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