Anwendungsbeispiele
Soll der Wärmeübertrager eine bestimmte Menge heißer Luft erzeugen, so sollte das Austrittsvolumen und die Temperatur der Luft vorgegeben werden. Damit liegt die "heiße" Seite fest und die Übertragerfläche kann durch Variation der Vorlauftemperatur oder der Vorlaufmenge einer Optimierung unterworfen oder bauseitigen Größen angepasst werden.
In diesem Fall bestimmt der Prozessstrom die Wärmebilanz. Diese wird durch Eingabe der Menge und der Ein- und Austrittstemperatur vorgegeben. Die Größe des Wärmeübertragers lässt sich dann anhand des maximalen Druckverlustes der Luft oder anderer Kriterien bestimmen.
Bei der Kühlung von feuchter Luft kann es zum Ausfall von Wasser kommen. Ausschlaggebend dafür ist die Temperatur der Rohr- bzw. Rippenoberfläche. Dies bedeutet, dass es zur Kondensation von Wasser kommen kann, obwohl die relative Feuchte der anströmenden Luft noch kleiner als 100% ist (Wandkondensation).
Der Wärmeübergang auf der Luftseite bei der Kondensation wird zunächst wie für die reine Gasströmung gerechnet. Anschließend wird der Wert so korrigiert, dass die Wärmebilanz für Abkühlung und Kondensation geschlossen ist.
Thermodynamisch betrachtet geht man davon aus, dass dieses Vorgehen aufgrund der Analogie zwischen Wärmeübergang und Stoffübergang gerechtfertigt ist, solange die Le-Zahl (Lewis-Zahl) etwa 1 beträgt.
Ein anderer Effekt tritt auf, wenn so viel Feuchtigkeit auskondensiert, dass sich die Rippenzwischenräume mit Kondensat füllen. Dies verringert die Fläche, die für den Wärmeübergang zur Verfügung steht, was sich jedoch quantitativ nicht erfassen lässt.
Daher gibt das Programm in diesem Fall eine Meldung aus.
6000 kg/h Prozesswasser sind von 110°C auf 80°C zu kühlen.
Verwendet werden soll ein Kreisrippenrohr-Luftkühler.
Die Luft strömt mit 20°C zu und soll mit 35°C den Übertrager verlassen.
Medienströme
Stoffwerte und Druckverluste
Übertrager ist ca. 37% zu groß.
Ergebnis: Es können weniger Rohre verwendet werden.
Übertrager ist nur noch ca. 14% überdimensioniert!
25000 m³/h Raumluft sollen von 31°C auf 12°C gekühlt werden.
Kühlmedium ist 1-2 Propylenglykol (13000 kg/h, Frostsicherheit -20°C, Zulauftemperatur: -2°C Druck: 3 bar).
Für die Kühlaufgabe wird ein Rechteckrippenrohr mit durchgehender Lamelle verwendet.
Die Frostsicherheit -20°C der Frostschutz-mischung wird später im Programm eingegeben.
Die Auswahl wird mit ‚OK' bestätigt
Rohrmaterial: Kupfer
Rippenmaterial: Aluminium
Nach Eingabe von Druck und Temperatur in den Rohren wird der Benutzer zur Spezifikation des Glykols aufgefordert.
Die Auswahl (hier: 1-2 Propylenglykol) wird mit 'Fertig' bestätigt.
Geben Sie die Frostsicherheit (-20°C) ein.
Der Massestrom des Glykols wird gemäß Pumpenförderleistung eingetragen, hier 13000kg/h.
Nun rechnet das Programm die Austrittstemperatur des Glykols sowie dessen Stoffwerte nach.
Die ‚Leistungszahl' ist deutlich größer als 1.
In diesem Beispiel kann der Wärmeübertrager tatsächlich mehr Wärme übertragen, als erforderlich ist.
>> Somit wird die Kühlaufgabe sicher erfüllt.
Aufgrund des Überdesigns (hier: 40%) werden sich im Betrieb andere Austrittstemperaturen einstellen:
· In den Rohren wird die Austrittstemperatur steigen.
· Um die Rohre wird die Austrittstemperatur sinken.
Eine erste Abschätzung der tatsächlichen Austrittstemperaturen geben die Werte in den Feldern „Tatsächliche Austritts-Temperatur“.
Allerdings werden hier die Stoffwerte und die hydraulischen Daten nicht auf die Werte nachgerechnet, die sich dann in der Praxis tatsächlich ergeben. Daher muss für genaue Nachrechnungen der komplette Apparat simuliert werden.
Dazu trägt man in die Felder für die gewünschte Austrittstemperatur auf der Luftseite den Wert ein, der im Feld für die tats. Austrittstemperatur steht: statt 12°C Luftaustritt die tats. 8,7 °C.
Unter Umständen ändert sich nach erfolgtem Rechendurchlauf die tatsächliche Austrittstemperatur noch einmal und der Schritt muss wiederholt werden, bis die Abweichung zwischen angegebener und tatsächlicher Austrittstemperatur vernachlässigbar ist. Die Daten für Wärmeleistung, Druckverlust, die das Programm dann ausgibt, spiegeln den tatsächlichen Praxisbetrieb wieder!