Rohrbündelwärmetauscher auslegen: Bauformen, TEMA, Werkstoffe und FDA
Rohrbündelwärmetauscher sind die robuste Lösung für hohe Drücke und Temperaturen, für Gase, Dampf und verschmutzte Medien. Welche Bauform passt, welches Medium in die Rohre gehört und welche Werkstoffe nötig sind, entscheidet über Betriebssicherheit, Wartungsaufwand und Kosten. Grundlage sind die Unterlagen von FUNKE. Seit der Gründung des Herstellers 1974 sind wir dessen Vertretung.
Inhalt:
1. Aufbau und Funktion
Ein Rohrbündelwärmetauscher ist ein unbefeuerter Druckbehälter mit zwei getrennten Druckräumen: dem Mantelraum und dem Rohrraum. Ein Medium strömt durch die Innenrohre, das andere umströmt sie im Mantel. Getrennt durch die Rohrwand tauschen beide Wärme aus, ohne sich zu vermischen.
Im Mantel lenken Umlenkbleche das Medium so, dass es die Rohre möglichst quer anströmt. Form und Abstand der Umlenkbleche bestimmen Wärmeübergang und Druckverlust und werden an den Einsatzfall angepasst.
In den Rohren strömt das Medium je nach gewünschter Geschwindigkeit und zulässigem Druckverlust einwegig oder mehrwegig. Mehr Wege bedeuten höhere Geschwindigkeit, besseren Wärmeübergang und weniger Ablagerungen, aber auch mehr Druckverlust.
2. Rohrbündel oder Platte?
Für Flüssigkeiten mit kleinen Temperaturdifferenzen ist der Plattenwärmetauscher meist kompakter und günstiger. Der Rohrbündelwärmetauscher ist die bessere Wahl, wenn eines dieser Kriterien zutrifft:
- hohe Drücke, bei FUNKE bis 600 bar, etwa für Prozessgas- und Hochdruckkühler
- hohe oder sehr tiefe Temperaturen, von −196 °C bis +550 °C
- Gase und Dampf, Gaskühlung, Kondensation, Verdampfung und Vakuumbetrieb
- verschmutzte oder faserhaltige Medien, die enge Plattenspalte zusetzen würden
- große Volumenströme bei hohem Druck und wenn keine Elastomerdichtungen im Medium erwünscht sind
- Regelwerke und Abnahmen wie ASME, TEMA oder API, die im Anlagenbau oft gefordert sind
FUNKE fertigt Rohrbündelwärmetauscher mit Leistungen bis etwa 70 MW, Manteldurchmessern bis 3.000 mm, Längen bis 15 m und Stückgewichten bis über 60 t. Da wir beide Bauarten anbieten, empfehlen wir die, die zur Anwendung passt.
3. Auslegung und Medienführung
Wie beim Plattenwärmetauscher ergibt sich die Fläche aus Wärmeleistung, Wärmedurchgangskoeffizient und mittlerer logarithmischer Temperaturdifferenz:
Q = k · A · ΔTm
Je kleiner die Temperaturdifferenz, desto größer die Fläche. Der k-Wert hängt beim Rohrbündel stark von der Strömung auf beiden Seiten ab, also von Rohrdurchmesser, Rohrteilung, Umlenkblechabstand und Anzahl der Wege. FUNKE rechnet mit der Software von HTRI (Heat Transfer Research, Inc.) und nach den Empfehlungen des TEMA-Standards.
Eine Frage prägt die ganze Auslegung: Welches Medium gehört in die Rohre? Dorthin kommen verschmutzte Medien, weil sie sich in den Rohren mechanisch reinigen lassen, und korrosive Medien, weil dann nur Rohre und Kammern aus dem teuren Werkstoff sein müssen. Auch das Medium mit dem höheren Druck gehört in die Rohre, denn sie halten Druck besser als ein großer Mantel. Dasselbe gilt für Kühl- und Seewasser und bei Gaskühlern für das Gas.
Im Mantel strömen dagegen zähflüssige Medien wie Öl, weil die Querströmung dort den Wärmeübergang verbessert. Dazu kommen kondensierender Dampf und Medien mit großem Volumenstrom und kleinem zulässigem Druckverlust.
Bei den FUNKE Serienbaureihen lässt sich außerdem der Umlenkblechabstand wählen: eine O-Ausführung mit engem Umlenkblechabstand für dünnflüssige Medien und eine W-Ausführung mit weitem Abstand für dickflüssige Medien. So lassen sich Wärmeübergang und Druckverlust gezielt abstimmen.
Ablagerungen (Fouling) senken den Wärmeübergang über die Betriebszeit. Ausreichende Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren wirkt dem entgegen, ein realistisch gewählter Verschmutzungsfaktor sichert die Leistung ab. Zu hohe Zuschläge machen das Gerät dagegen unnötig groß.
4. Bauformen nach TEMA
Der TEMA-Standard (Tubular Exchanger Manufacturers Association) beschreibt jeden Rohrbündelwärmetauscher mit drei Buchstaben: vordere Kammer, Mantel und hintere Kammer. Ein BEM hat also eine Haubenkammer (B), einen einwegigen Mantel (E) und einen festen Rohrboden hinten (M).
Für die Praxis zählen vor allem drei Konstruktionsprinzipien.
Fester Rohrboden
Bei BEM, AEM oder NEM sind Mantel und Rohrböden verschweißt. Das erlaubt die maximale Berohrung und ist günstig, die Mantelseite lässt sich aber nur chemisch reinigen. Sind Mantel und Rohre sehr unterschiedlich warm, nimmt ein Axialkompensator die Wärmedehnung auf. Bei FUNKE ist das die Baureihe C 200.
U-Rohrbündel
Bei BEU oder AEU hängen die Rohre nur an einem Rohrboden und können sich frei dehnen. Das passt gut zu hohen Drücken und Temperaturen, das Bündel ist ziehbar. Innen lassen sich die gebogenen Rohre nur bedingt mechanisch reinigen, deshalb gehört das saubere Medium hinein. FUNKE Baureihe C 300.
Schwimmkopf und ziehbares Bündel
Bei AES, BES, AET, BEP oder BEW ist der hintere Rohrboden beweglich. Das Bündel lässt sich ziehen, beide Seiten lassen sich mechanisch reinigen. Diese Bauart ist die aufwendigste und zugleich die vielseitigste, typisch für Chemie und Petrochemie. FUNKE baut sie in den Reihen C 100, C 400, C 500 sowie CP und CPS.
5. Serien- und Individualgeräte
FUNKE unterscheidet zwischen Seriengeräten mit vorgewählten Geometrien und Individualgeräten nach Kundenspezifikation.
Seriengeräte sind schneller lieferbar und günstiger. Die wichtigsten Baureihen:
- BCF, CCF, SSCF
Universal-Baureihe mit 0,11 bis 11,45 m² in 110 Baugrößen, in Messing, Stahl oder Edelstahl, mit festem (F) oder ziehbarem (P) Rohrbündel. Typisch als Öl- und Wasserkühler. Opferanoden aus Zink schützen die Buntmetall-Ausführungen und zeigen über eine Signalbohrung, wann sie ersetzt werden müssen. - TDW
Turbodrall-Wärmetauscher für Hydrauliköl, sehr kompakt, 0,15 bis 4 m². Eine Schnecke erzeugt mantelseitig eine drallförmige Ölströmung, auch als Tankeinbau- oder Filterölkühler. - CCFA, SSCFA
Gaskühler mit Gas durch die Rohre, zum Beispiel als Zwischen- und Nachkühler bei mehrstufigen Kompressoren. - SWF
Sicherheitswärmetauscher mit Doppelrohren (siehe Abschnitt 6). - CPS
Standardbaureihe auf Basis TEMA BEW mit ziehbarem Bündel, 0,47 bis 104 m², als Öl- oder Wasserkühler. - WRA 200
Abgaswärmetauscher für die Wärmerückgewinnung an Blockheizkraftwerken.
Individualgeräte der Baureihen CP und C 100 bis C 500 entstehen nach Betriebsdaten, Werksnormen, Ingenieurgesellschafts-Standards und internationalen Regelwerken. Dazu gehören Prozessgaskühler, Kondensatoren, Verdampfer und Hochdruckkühler bis 600 bar.
Für Großwärmepumpen liefert FUNKE neben Verdampfer und Kondensator auch Nebenkomponenten wie Subcooler, Enthitzer (Desuperheater), Seitenverdampfer und Vorwärmer. Kleine Temperaturdifferenzen senken die Verdichterarbeit und erhöhen den COP.
Aus der Praxis
Die bisherigen Dampf-Wasser-Wärmetauscher eines anderen Herstellers passten nicht zum Brunnenwasser und mussten etwa alle sechs Monate getauscht werden. Die neuen FUNKE Rohrbündelwärmetauscher, TEMA-Typ BEM, sind komplett aus Edelstahl 1.4571 gebaut, nach AD 2000 und Druckgeräterichtlinie. Länge und Wasseranschlüsse blieben gleich, so passten die Geräte ohne Umbau an die alte Stelle.
6. Sicherheitswärmetauscher
Wenn sich die Medien unter keinen Umständen vermischen dürfen, etwa bei Kühlwasser aus Oberflächengewässern, bei Stoffen, die miteinander reagieren, oder bei teuren und schwer zu entsorgenden Fluiden, kommt ein Sicherheitswärmetauscher zum Einsatz.
Beim SWF steckt in jedem Innenrohr ein zweites, kleineres Rohr. Die Ringspalte sind über Doppelrohrböden zu einem geschlossenen Sicherheitsraum verbunden, der mit einer Sperrflüssigkeit gefüllt ist. Ein Druckwächter meldet jede Leckage auf Mantel- oder Rohrseite, ein Ausgleichsgefäß verhindert Fehlalarme durch Wärmedehnung. Druckwächter nach ATEX sind möglich.
Die Weiterentwicklung SWF-HE arbeitet mit hydraulisch aufgeweiteten Doppelrohren. Das innere Rohr hat eine Pyramidenstruktur und liegt teilweise metallisch am äußeren an. Das verbessert den Wärmeübergang gegenüber der klassischen Bauart. Der Sicherheitsraum ist mit Stickstoff gefüllt oder evakuiert und wird überwacht. Bis 100 bar und 400 °C, in Edelstahl, Duplex oder C-Stahl.
Erlauben Druck und Temperatur es, ist ein Plattenwärmetauscher mit Doppelwandplatten FPDW meist die günstigere Alternative, mit Anschlüssen DN 25 bis DN 200 und bis 16 bar. Der Rohrbündel-Sicherheitswärmetauscher kommt dann zum Zug, wenn Druck oder Temperatur dafür zu hoch sind.
7. Werkstoffe und Rohreinbindung
Alle Werkstoffe sind nach DIN EN und ASME verfügbar. Die Auswahl richtet sich nach Medium, Temperatur, Druck und Regelwerk:
- C-Stähle für Mantel und Kammern bei nicht korrosiven Medien
- Edelstähle wie 1.4401, 1.4541, 1.4571, Duplex 1.4462 und 1.4539
- Buntmetalle, also Messing und Kupfer-Nickel (CuNi10Fe, CuNi30Fe), bewährt bei Kühl- und Seewasser
- Sonderwerkstoffe wie Hastelloy, Titan und weitere auf Anfrage, auch Plattierungen und Beschichtungen für see- oder säurebeständige Rohre und Rohrböden
Im Rohrboden werden die Rohre je nach Regelwerk, Werkstoffpaarung, Druck und Temperatur eingewalzt oder eingeschweißt. Eingeschweißte Rohre werden bei FUNKE zusätzlich nachgewalzt, um Spaltkorrosion zu vermeiden.
Bei ziehbaren Bündeln mit Leckagering dichten alle Dichtungen gegen Atmosphäre ab. Fällt eine Dichtung aus, tritt das Medium durch Signalbohrungen sichtbar nach außen, statt sich mit dem anderen Medium zu vermischen.
8. FDA-konforme Ausführung
Für Lebensmittel, Getränke, Pharma und Kosmetik fertigt FUNKE Rohrbündelwärmetauscher in FDA-konformer Ausführung. Das Produkt wird dabei grundsätzlich durch die Innenrohre geführt, die Mantelseite mit dem Heiz- oder Kühlmedium braucht keine besondere Ausführung.
| Werkstoff | Edelstahl 1.4435 oder 1.4404 auf der Produktseite |
| Gerätetyp | Fester Rohrboden mit geraden Rohren oder ziehbares Rohrbündel mit U-Rohren |
| Oberflächen | Definierte Rauheit auf der Rohrseite, für einzelne Bauteile und für die Schweißnähte, auf Wunsch zusätzlich elektropoliert |
| Rohreinschweißung | Drei Qualitätsstufen für Innenrohre 10 x 1 und 16 x 1 mm, eine Standardausführung für 6 x 1 mm |
| Doppelter Rohrboden | Für Innenrohre 10 x 1 und 16 x 1 mm, wenn eine Leckage am Rohrboden ausgeschlossen werden muss |
| Reinigung | CIP und SIP, auf Wunsch über separate Anschlüsse |
| Prozessanschlüsse | Zum Beispiel Clamp oder aseptische Verbindungen, Dichtungen der Apparateflansche nach Anforderung |
| Entleerung | Restentleerbarkeit und Totraumfreiheit, falls nötig durch Schrägstellung des Geräts |
Für die Auslegung gibt es einen eigenen FDA-Fragebogen. Wir schicken ihn Ihnen zu.
9. Regelwerke, Abnahmen und Fertigung
FUNKE liefert nach allen wichtigen nationalen und internationalen Regelwerken, unter anderem:
- Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU, AD 2000 und DIN EN 13445
- ASME VIII Div. 1 mit U-Stamp, TEMA, API 614, 618, 660 und 667
- CML (China), IBR (Indien), MOM (Singapur), ATEX
- Klassifikationsgesellschaften wie DNV, ABS, BV, LR, CCS und KR
Zur Auslegung gehören auf Wunsch Festigkeits-, Stutzenlast-, Schwingungs- und Lastwechselberechnungen sowie Nachweise für Wind-, Schnee- und Erdbebenlasten. Zerstörungsfreie Prüfungen (RT, UT, MT, PT) erfolgen durch Prüfpersonal mit Level III, ergänzt durch PMI und Schichtdickenmessung. Apparate bis 64 t werden komplett in Deutschland gefertigt, seit 2025 in einer neuen Fertigungshalle mit 9 m Kranhöhe.
10. Diese Daten brauchen wir für die Auslegung
Für Mantel- und Rohrseite brauchen wir:
- Medium und Aggregatzustand (flüssig, gasförmig, kondensierend), bei Gasen die Zusammensetzung
- Wärmeleistung oder Volumen- bzw. Massenstrom
- Ein- und Austrittstemperatur
- Betriebsdruck und zulässigen Druckverlust
- Verschmutzungsfaktor oder gewünschte Flächenreserve, falls vorgegeben
- Stoffdaten bei Medien, die nicht allgemein bekannt sind
- Berechnungsdruck und -temperatur, Bau- und Abnahmevorschriften
- gewünschte Bauform, Werkstoffe, Anschlüsse und Oberflächenbehandlung
- maximale Abmessungen, Aufstellungsort, Stückzahl und Liefertermin
Nicht alles muss von Anfang an feststehen. Offene Punkte klären wir mit Ihnen und FUNKE. Den FUNKE Anfragebogen für Rohrbündelwärmetauscher senden wir Ihnen auf Wunsch zu.
Häufige Fragen
Wann ist ein Rohrbündelwärmetauscher besser als ein Plattenwärmetauscher?
Bei hohen Drücken und Temperaturen, bei Gasen, Dampf und Kondensation, bei verschmutzten Medien und wenn Regelwerke wie ASME, TEMA oder API gefordert sind. Für Flüssigkeiten mit kleinen Temperaturdifferenzen ist der Plattenwärmetauscher meist kompakter.
Was bedeutet BEM, AES oder BEU?
Das sind TEMA-Bezeichnungen. Der erste Buchstabe steht für die vordere Kammer, der zweite für den Mantel, der dritte für die hintere Kammer. BEM ist ein Gerät mit festen Rohrböden, AES ein Schwimmkopfgerät mit ziehbarem Bündel, BEU ein U-Rohr-Gerät.
Welches Medium gehört in die Rohre?
In der Regel das Medium, das verschmutzt, korrodiert oder unter höherem Druck steht, außerdem Kühl- und Seewasser. Zähflüssiges Öl und kondensierender Dampf strömen meist im Mantel.
Gibt es Rohrbündelwärmetauscher in FDA-konformer Ausführung?
Ja. FUNKE fertigt sie in 1.4435 oder 1.4404 mit definierter Oberflächenrauheit, CIP/SIP-Tauglichkeit, auf Wunsch elektropoliert und mit doppeltem Rohrboden. Den FDA-Fragebogen bekommen Sie bei uns.
Können Sie einen vorhandenen Rohrbündelwärmetauscher ersetzen?
Ja. Wir legen einen neuen FUNKE Wärmetauscher so aus, dass Anschlüsse und Einbaumaße möglichst erhalten bleiben. Mehr dazu unter Wärmetauscher Alternative und Ersatz.
Technische Daten und Abbildungen stammen von FUNKE. Maßgeblich sind die Herstellerangaben zur jeweiligen Ausführung.