Aufbau und Bedienung

Das Programm ist aus Bausteinen (Modulen) des Programmsystems ATLAS aufgebaut, die untereinander über die Ein- und Ausgabegrößen verknüpft sind. Jedes Modul stellt ein eigenständiges Programm dar, das über eine Ein-Ausgabe-Oberfläche verfügt

In die verschiedenen Bedienungsoberflächen der einzelnen Module gelangt man über die Projekt-Übersicht oder von der Hauptbedienungsoberfläche (AC) oder von einem beliebigen Modul aus.

Folgende Module sind speziell für den Einsatz mit AC verfügbar:    

Es wird nicht zwischen einem getrennten Vorgang für die Dateneingabe und der Berechnung unterschieden. Das Programmsystem ATLAS ist ein simultanes Dialog / Berechnungssystem. Jede Vorgabe eines Wertes löst unmittelbar einen Bearbeitungsschritt aus, bis dies auf Grund der Bestimmtheit des Systems nicht mehr möglich ist und die Lösung erreicht wird. Welcher Wert ein Vorgabewert oder Ergebniswert ist, wird vom Anwender entschieden.

Die Grundfunktionen dieses Moduls und die verschiedenen Bearbeitungsregeln sind der Beschreibung des Programmsystems ATLAS zu entnehmen.

Nach dem Start "Start / Programme" / "AC" / AC“ erscheint ein Menü zur Auswahl der Medien und zum Treffen von Fallunterscheidungen.

Auswahl-Menü (Beispiel)

Im oberen Abschnitt wird die Rohrgeometrie ausgewählt.

Im mittleren Abschnitt wird die Geometrie des Wärmeübertragers festgelegt.

Die Optionen "Einbauten", "Innenrippen" und "Drallrohre" sowie "Mehrgängige Mäntel" und "Konvektor / Bad-Wärmetauscher" sind nur aktiviert und schwarz angezeigt, wenn die entsprechenden Zusatzmodule erworben sind. Alternative Nutzung über das Lizenzmodell FEEZING sind möglich (farbig gekennzeichnet)

Einbauten

Innenrippen und Drallrohre

Mehrgängige Mäntel

Konvektor / Bad-Wärmetauscher

Im unteren Abschnitt werden die Stoffströme in und um die Rohre spezifiziert. Der Benutzer kann hier den Aggregatzustand der Stoffe sowie eine mögliche Phasenänderung (Kondensation, Verdampfung) angeben. Falls Feuchtigkeit aus einem Inertgas kondensiert (z.B. feuchte Luft, Rauchgas), so ist für die Phasen­änderung „keine“ zu wählen. Die Kondensation der Feuchtigkeit wird dennoch berücksichtigt.

Vorausgewählt sind in den Rohren Wasser und um die Rohre Luft Andere Stoffe lassen sich im Auswahlfenster anklicken. Die Stoffwerte werden automatisch mit den entsprechenden Modulen berechnet (z.B. Luft, Wasser usw.). Beachten Sie, dass einige der im Beispiel aufgeführten Medien nicht im AC-Grundpaket enthalten sind.

Wird als Medium "Freie Eingabe" gewählt, müssen die Stoffwerte von Hand eingegeben werden.

Nach Bestätigung Ihrer Auswahl mit "OK" erscheint die Hauptbedienungsoberfläche des AC-Moduls.

In die verschiedenen Bedienoberflächen der Module gelangt man über das bereits im Programmsystem ATLAS beschriebene Menü "Atlas" / "Kapitel".

In der Bedienoberfläche des Moduls AC sind fast alle notwendigen Eingabemöglichkeiten zur Berechnung eines Wärmeübertragers zusammengefasst. Von hier steuert der Benutzer den Ablauf seiner Berechnung und es kann in alle anderen Module gewechselt werden.

Abweichend zu anderen ATLAS Modulen verfügt AC über ein Menü mit der Bezeichnung "Spezial", das sich in der Menüleiste der Eingabemaske befindet.

Der Menüpunkt "Rohrbodenbild" ist nur dann verfügbar, wenn ausreichend viele geometrische Werte in der Ein- und Ausgabemaske von AC vorhanden sind

Über den Menüpunkt Naturkonvektion (*) (siehe Abbildung) kann ein bereits ausgelegter Luftkühler per Mausklick von Zwangskonvektion auf Naturkonvektion umgestellt werden. Das äußere Medium muss erwärmt werden. Die Medien innen und außen müssen dabei einphasig vorliegen.

>> Bei mehrgängigen Mänteln ist die Option nicht verfügbar.

Der Punkt "Ventilatorberechnung in VENT" (*) leitet die Berechnung der Ventilator-Antriebsleistung in das Modul VENT um, wo z.B. der Ventilatorwirkungsgrad angegeben werden kann. Standardmäßig wird die Ventilatorberechnung in AC intern durchgeführt.

(*) nicht im Grundpaket enthalten

Nach Eingabe der Geometriedaten des Bündels kann der Rohrspiegel des Bündels geöffnet werden über "Spezial" + "Rohrbodenbild"

Im Fenster "Rohrspiegel" befinden sich editierbare Textfelder, welche Ihnen nach dem Laden einer SPI-Datei (SPI steht für Spiegel) Informationen über Art und Abmessungen des in der SPI-Datei gespeicherten Rohrspiegels geben.

Oberhalb der Grafik kann in das Textfeld der Titel bzw. die Bezeichnung des Rohrspiegels eingetragen werden. Der Name der SPI-Datei wird rechts eingetragen

In der Menüleiste des Fensters "Rohrspiegel" befinden sich die Menüs "Datei", "Zoom" und "Drucken".

Mit "Datei" können Sie SPI-Dateien laden, den Rohr­spiegel als SPI-Datei sichern oder das Fenster "Rohrspiegel" mit "Beenden" verlassen.

Mit "Zoom" kann der äußere Rahmen des Grafik-Fensters vergrößert oder verkleinert werden.

"Drucken" erlaubt, den Rohrspiegel auszudrucken oder als DXF-Datei für die Weiterbearbeitung mit AutoCad auszugeben. Bei "Drucken" erscheint die Maske "Seitenansicht".

Mit "Ausdruck" können Sie festlegen, ob Sie Ihren Rohrspiegel auf ein, zwei oder vier Seiten (DIN A4) ausdrucken möchten.

Mit Hilfe der Buttons "+" und "-" kann zwischen diesen Seiten gewechselt werden. Die aktuelle Seite wird dabei jeweils angezeigt.

Bei "Maßstab" passen Sie durch Anklicken eines neuen Maßstabes Ihren Rohrspiegel an die Größe der Seite(n) an. Jede Maßstabsänderung wird auf der angezeigten Seite wirksam.

Im Feld "Bemerkung" kann Text eingetragen werden, der zusammen mit dem Dateinamen (SPI), dem Maßstab und der Seitenzahl auf dem Ausdruck erscheint. Nach dem Ausdruck des Rohrspiegels wird die Maske "Seitenansicht" verlassen. Mit "Abbrechen" verlassen Sie die Maske.

Wenn Sie das Menü "Drucken" + "DXF Datei" wählen, erscheint eine Maske entsprechend dem Windows-Standard, in der Sie den Namen der DXF-Datei eingeben müssen

Rohrspiegel exportieren

Diese Option ist nur noch für die Kompatibilität mit alten Dateien enthalten, in denen die Option nicht gesetzt ist. Für neue Berechnungen sollte die Option immer gesetzt sein.

Der äußere Wärmeübergangskoeffizient in Rohrregistern wird mit einem Faktor korrigiert, der sich aus dem Verhältnis von mittlerer äußerer Temperatur und Wandtemperatur berechnet.

>> Wird diese Korrektur vernachlässigt, so wird der Faktor auf den Wert 1 gesetzt.

Durch die Kondensation von Feuchtigkeit im Außenraum verbessert sich der äußere Wärme­übergangskoeffizient. Rechnerisch geschieht dies durch einen Korrekturfaktor, der mit einem von LV entwickelten Ansatz ermittelt wird. Dabei wird auch berücksichtigt, dass die Kondensation an der unterkühlten Wand stattfindet und sich somit eine Untersättigung einstellen kann.

>> Wird diese Korrektur vernachlässigt, so wird der Faktor auf den Wert 1 gesetzt.

Benutzerdefinierte Korrekturen am äußeren Wärmeübergangskoeffizienten können Sie vornehmen, wenn Sie den Wert des „Engineering-Faktor Wärmeübergang“ ändern.

Die Anordnung der Rohre (Spiegel) wird durch die Teilung in Längs- und Querrichtung und der Lage (fluchtend / versetzt oder teilversetzt) bestimmt. Alle diese Angaben sind wählbar.

Bei Rippenrohren werden die Abmessungen der Rippen benötigt. (Wird nur angezeigt wenn in den Grunddaten ausgewählt)

Rohrdurchmesser, Länge und die Anzahl der Pässe schließen die Definition der Geometrie ab.

Über "Spezial" / "Rohrbodenbild" kann die vereinbarte Geometrie des Bündels maßstabsgerecht betrachtet werden

Die Querteilung der Rohre ist der Abstand von Rohrmittelpunkt zu Rohrmittelpunkt.

Bei Glattrohren ist ein guter Anhaltswert das 1.2 - 1.3-fache des Rohraußendurchmessers

Die Längsteilung der Rohre ist der Abstand von Rohrmittelpunkt in einer Reihe zum Rohrmittel-punkt in der nächsten Reihe.

Quer- und Längsteilung hängen über den Teilungswinkel (0-90°) miteinander zusammen.

Versetzte Längsteilung:

Wenn die Rohre einer Reihe nicht genau in der Mitte zwischen den Rohren der vorherigen Reihe sitzen

Teilversetzt

Die Anzahl der Rohre in der ersten Reihe aus Sicht des äußeren Mediums

Bei versetzter Rohranordnung sind entweder in allen Reihen gleich viele Rohre. Das ergibt einen nicht symmetrischen Rohrspiegel,

oder jede versetzte Reihe hat 1 Rohr weniger. Dann ist der Rohrspiegel symmetrisch.

Beispiel:

Das Medium tritt in die Rohre des Bündels ein, durchströmt diese, wird am Ende umgelenkt (U-Rohr), strömt zurück, wird wieder umgelenkt und verlässt schließlich das Bündel. Das sind drei Rohrdurchgänge.

Die Anzahl der Rohrdurchgänge beeinflusst vor allem die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Rohr. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto höher wird der Druckverlust. Gleichzeitig verbessert sich aber auch der Wärmeübergang innen.

Die Anzahl der Durchgänge in Richtung der äußeren Strömung hat Einfluss darauf, wie stark sich das Gegenstromverhalten bemerkbar macht. Registerwärmetauscher sind üblicherweise Kreuzgegenströmer mit mehr oder weniger großem Gegenstromanteil. Je mehr Durchgänge in Richtung der äußeren Strömung, desto stärker das thermodynamisch günstigere Gegenstromverhalten.

Ist die Anzahl der Rohrreihen größer oder gleich der der Rohrdurchgänge, dann führt man in der Regel das Medium innen mit allen Durchgängen der äußeren Strömung entgegen.

Ist dagegen die Anzahl der Rohrreihen kleiner als die der rohrseitigen Durchgänge, dann muss man einige Rohrdurchgänge quer zur äußeren Strömung führen. Konstruktiv bedeutet dies, dass einige U-Bögen quer zur äußeren Strömungsrichtung angelötet werden müssen.

Bei Stoffströmen, die keinem Phasenwechsel unterliegen, wird zur automatischen Berechnung der Stoffwerte der Eintrittsdruck sowie Eintritts- und / oder Austrittstemperatur benötigt.

Bei Kondensations- oder Verdampfungsvorgängen reiner Stoffe kann entweder der Eintrittsdruck oder die Eintrittstemperatur vorgegeben werden. Das Programm errechnet mit einer hinterlegten Dampfdruckkurve selbsttätig die fehlende Zustandsgröße und Stoffwerte.

Ist der gewünschte Stoffstrom im Auswahl-Menü "Rohrregister Wärmeübertrager" nicht auswählbar, muss das Medium als "Freie Eingabe" definiert werden und die Stoffwerte sind von Hand einzutragen. Dabei ist darauf zu achten, die Stoffwerte für die mittlere Temperatur vorzugeben. Bei Leistungsnachrechnungen müssen dann die Stoffwerte nachgeführt werden.

Beachten Sie folgende Vorgehensweise:

Tragen Sie auf der Ein-/ Ausgabemaske AC die Temperaturen und den Druck bei "Freie Eingabe" ein. Das Programm erstellt automatisch ein Kapitel SDAT und wechselt dorthin.

Geben Sie dort die Stoffwerte ein für den "Zustand 1" in der Reihenfolge

1. Dichte

2. Spez. Wärmekapazität

3. Dynamische Viskosität

4. Wärmeleitfähigkeit

Nach Eingabe der Wärmeleitfähigkeit wechselt das Programm (mit Übernahme der eingetragenen Stoffwerte) automatisch wieder in das Modul AC.

Bei Luft kann die relative Feuchte oder der Wassergehalt angegeben werden. Die Angabe einer relativen Feuchte ergibt nur bei Temperaturen unterhalb der Siedetemperatur des Wassers einen Sinn. Bei höheren Temperaturen können beliebige Mengen Wasserdampf in der Luft enthalten sein. Dann darf nur der Wassergehalt (=Beladung) angegeben werden.

Bei Rauchgas wird der Wassergehalt automatisch ermittelt. Kondensation durch Abkühlung unter die Tautemperatur wird bei der Berechnung mitberücksichtigt.

Die Wärmebilanz legt die Soll-Leistung des Wärmeübertragers fest. Die Reihenfolge der Eingabe von Temperaturen, Drücken und Mengen ist beliebig.

Beispiel: Sind alle 4 Temperaturen vorgegeben und ist der Massenstrom einer Seite (z.B. in den Rohren) bekannt, so wird der Massenstrom der anderen Seite (z.B. um die Rohre) zum Schließen der Wärmebilanz vom Programm berechnet.

Eingabemaske AC, Bereich Stoffwerte + Wärmebilanz

Sobald alle Daten für die Bestimmung des Wärmedurchgangs vorliegen, wird auf dieser Basis eine "Übertragbare Wärmeleistung" berechnet.

Siehe Berechnung der Leistungsreserve im Programm AC

Der Vergleich mit "Wärmeleistung (soll)" aus der Wärmebilanz zeigt über die "Leistungszahl" an, ob das vorgegebene Bündel die Aufgabe erfüllt.

Ist die Leistungszahl kleiner als 1, so ist der Wärmeübertrager unterdimensioniert, für eine Leistungszahl > 1 überdimensioniert.

Eingabemaske AC, Bereich Bewertung

Um den Übertrager an die geforderte Leistung anzupassen, gibt es folgende Möglichkeiten.

1.     Die Geometrie kann verändert oder die Leistung über Veränderung der Prozessbedingungen angepasst werden. Dies ist abhängig von der speziellen Aufgabenstellung und den Randbedingungen.

2.     Parameterstudie / Szenario Manager. Man kann die Abhängigkeit der Leistungszahl von einer beliebigen Größe (z.B. Rohrlänge) darstellen und so die Dimensionierung vornehmen bzw. die Leistung des Übertragers unter veränderten Prozessbedingungen einschätzen

Zur Beurteilung der Auslegung eines Wärmeübertragers wird im Allgemeinen eine Größe angegeben, die das Verhältnis der tatsächlich übertragbaren Leistung zur geforderten Leistung angibt, also eine Flächen- oder Leistungsreserve oder eine Leistungszahl. Im Programm AC sind dies die beiden letztgenannten.

Wie wird die Leistungsreserve berechnet?

Zunächst wird die Soll-Leistung Q_Soll berechnet. Diese ergibt sich im Falle einphasiger Strömung aus dem Massenstrom, der spezifischen Wärmekapazität und den Temperaturen für einen der beiden Ströme.

Im Vergleich dazu wird eine theoretisch übertragbare Leistung berechnet, die sich aus der Wärmeübertragung bei den Soll-Bedingungen ergibt:

Mit              k:             Wärmedurchgangskoeffizient

                   A:             Äußere Übertragerfläche

                   F_N:           Korrekturfaktor aufgrund der Strömungsführung (Abweichung vom reinen Gegenstrom)

                   ΔT_log:       Logarithmisch gemittelte Temperaturdifferenz aus den Soll-Temperaturen

Aus diesen beiden Leistungen werden die beiden Beurteilungsgrößen berechnet:

Leistungszahl         

Leistungsreserve      (Wird in der Regel in Prozent angegeben.)

Aus den Formeln wird deutlich, dass beide Größen nur unterschiedliche Darstellungsformen für dieselbe Aussage sind. Daher gelten alle folgenden Aussagen über die Leistungsreserve analog auch für die Leistungszahl.

Wie sind die Beurteilungsgrößen zu interpretieren?

Zunächst der einfache Fall: Eine Leistungsreserve von 0% (Leistungszahl von 1,0) bedeutet, dass der Tauscher auf den Punkt genau ausgelegt ist, dass er genau die gewünschte Leistung bringt, vorausgesetzt dass alle getroffenen Annahmen zutreffend sind.

Eine Leistungsreserve von 10% bedeutet, dass bei einer Abweichung der Einflusswerte um insgesamt 10% nach unten die Soll-Leistung gerade übertragen wird. Beispielsweise könnte der
k-Wert durch die Ungenauigkeit der Berechnungsansätze kleiner sein als angenommen, es tritt eine Verlustleistung auf, oder die Rippenfläche ist durch Fertigungsungenauigkeiten kleiner als berechnet. Dann bietet die Leistungsreserve eine gewisse Sicherheit, dass der Apparat seine Aufgabe dennoch erfüllt.

Eine Leistungsreserve von 10% bedeutet nicht, dass der Apparat tatsächlich 10% mehr Leistung überträgt, wenn alle Annahmen richtig getroffen wurden. In diesem Falle liegt eine Abweichung vom Soll-Zustand vor und es ändern sich Einflussgrößen der Wärmeübertragung, insbesondere wird das treibende Temperaturgefälle kleiner, manchmal mit erheblichen Auswirkungen.

Diese Tatsache wird bei der Berechnung der tatsächlichen Austrittstemperaturen nach dem Zellenmodell im Modul ZELL berücksichtigt.

Parallel zur thermischen Berechnung ermittelt das Programm den Druckverlust in und um die Rohre sowie die beiden Austrittsdrücke.

Man kann die berechneten Druckverluste mit den zulässigen Druckverlusten (Vorgabewerte) vergleichen und über Änderungen der Eingabewerte (z.B. Geometriewerte) den Randbedingungen.

Druckverlust im Rohrbündel geht mit Wärmeübertragung einher. Hier sollte der vom Prozess zulässige Druckverlust möglichst ausgenutzt werden. Druckverlust in den Stutzen oder in Umlenkungen dagegen ist "verlorener" Druckverlust. Er trägt nichts zur Wärmeübertragung bei. Daher sollten die Stutzen immer genügend groß gewählt werden. Ebenso sollten die Umlenkungen bei mehrgängigen Mänteln ausreichend groß sein. Angaben darüber findet man im Modul DRRB oder L1.4.2.

Mit Hilfe der Parameterstudie (vgl. ATLAS-Handbuch) oder des Szenario Managers kann der berechnete Druckverlust in Abhängigkeit von Eingabegrößen (z.B. veränderliche Prozessbedingungen: Temperaturen, Durchsätze) dargestellt werden.

Die Umlenkung geschieht bei rechteckigen Mänteln jeweils in einer Kammer, deren Form sehr individuell sein kann. Die Berechnung des zusätzlichen Druckverlustes infolge der Umlenkung kann daher nur über die Angabe eines Druckverlustbeiwertes für die Wendekammer erfolgen. Dieser liegt im Bereich 0,5...5,0. Der angegebene Beiwert geht nur in die Berechnung des Druckverlustes im Mantel ein.

(Literaturwerte z.B. in Renknagel, Sprenger, Schrameck, "Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik")

Meistens legt man den Apparat mit einer gewissen Leistungsreserve aus, d.h. der Apparat überträgt mehr Wärmeleistung als in der Aufgabenstellung gefordert. Das hat zur Folge, dass bei gegebenen Mengenströmen die Austrittstemperaturen anders sind als bei der Auslegung angenommen. Die erreichbare Austrittstemperatur ist also die Temperatur, die sich in der Praxis tatsächlich einstellt.

Insbesondere bei der Auslegung von mehrstufigen Tauschern (z.B. Zweikreiskühler) ist es wichtig, für die Folgestufen die tatsächlichen Austrittstemperaturen der vorherigen Stufen einzusetzen.

Die mittlere Temperatur wird mit der vorgegebenen Austrittstemperatur berechnet.

Mit den Engineering Faktoren können die berechneten Werte für Druckverlust bzw. Wärmeübergang anhand eigener Erfahrungen korrigiert werden. Wird z.B. eine spezielle Rippenform verwendet, kann der Wärmeübergang besser als nach den allgemeinen Ansätzen sein. Dann kann als Engineering Faktor z.B. 1.1 eingesetzt werden (=WÜ ist um 10% besser als bei Standard-Rippen).