Fachübersicht
Das Modul berechnet den Wärmeübergangskoeffizienten beim Blasensieden reiner Stoffe an Rippenrohren und anderen strukturierten Hochleistungsrohren nach Kapitel H2.3.5.2 des VDI-Wärmeatlas (12. Auflage 2019). Ausgangspunkt ist der Referenz-Wärmeübergangskoeffizient des Glattrohres beim reduzierten Druck p* = 0,1 und der Norm-Wärmestromdichte; über Rippengeometrie, Flächenvergrößerungsfaktor und angepasste Wärmestromexponenten wird daraus der Wärmeübergang am berippten Rohr abgeleitet.
Gebraucht wird diese Berechnung bei der Auslegung von überfluteten Verdampfern in der Kältetechnik, von Kettle-Reboilern und von Wärmeübertragern, bei denen niedrigviskose Medien wie Kältemittel außen an berippten Rohrbündeln sieden. Niedrige Rippen und strukturierte Oberflächen erhöhen die Keimstellendichte und die wirksame Fläche, sodass bei gleicher Wandüberhitzung deutlich höhere Wärmestromdichten übertragen werden als am Glattrohr.
Das Modul liefert neben dem Wärmeübergangskoeffizienten für das einzelne Rippenrohr auch das treibende Temperaturgefälle und die erforderliche Wandtemperatur — die Basisgrößen, um Rippenrohr gegen Glattrohr wirtschaftlich zu vergleichen und die Heizfläche eines Verdampfers zu dimensionieren.
Anwendungsbereich
- Blasensieden reiner Stoffe: Rippenrohre und andere Hochleistungsrohre
Typischer Arbeitsablauf
Betriebspunkt und Medium festlegen
Aus Siededruck, Siedetemperatur und kritischem Druck wird der reduzierte Druck p* = p/p_c gebildet. Zusätzlich wird angegeben, ob es sich um Wasser handelt und ob das Rohr in einem horizontalen Bündel eingesetzt wird.
Rippengeometrie beschreiben
Außendurchmesser des Kernrohres, Rippenhöhe, lichter Rippenabstand und der Flächenvergrößerungsfaktor φ charakterisieren das Hochleistungsrohr. Der Flächenvergrößerungsfaktor setzt die tatsächliche berippte Oberfläche ins Verhältnis zur Hüllfläche des Glattrohres.
Referenzwerte des Glattrohres ansetzen
Für das Glattrohr werden der Wärmeübergangskoeffizient bei p* = 0,1 und q̇ = 100 kW/m² sowie der zugehörige Wärmestromexponent als Bezugswerte verwendet; für das Rippenrohr gilt ein eigener, in der Regel kleinerer Wärmestromexponent.
Druck- und Wärmestromfunktionen auswerten
Über die Druckfunktionen wird der Bezugszustand p* = 0,1 auf den tatsächlichen reduzierten Druck umgerechnet; das Verhältnis der Wärmestromdichte zum Bezugswert wird mit dem Wärmestromexponenten des Rippenrohres potenziert.
Ergebnis auswerten
Das Modul liefert den Wärmeübergangskoeffizienten für das Blasensieden am einzelnen Rippenrohr, das treibende Temperaturgefälle ΔT und die erforderliche Wandtemperatur ϑ_s + ΔT als Grundlage für die Heizflächenauslegung.
Häufige Fragen
Worauf bezieht sich der Wärmeübergangskoeffizient beim Rippenrohr — auf die tatsächliche oder auf die Hüllfläche?
Das muss bei jedem Vergleich sauber definiert sein. Üblich ist der Bezug auf die gesamte berippte Außenfläche; über den Flächenvergrößerungsfaktor φ lässt sich das Ergebnis auf die Hüllfläche des Glattrohres gleichen Außendurchmessers umrechnen. Verwechslungen der Bezugsfläche sind eine der häufigsten Fehlerquellen beim Vergleich von Herstellerangaben mit Rechenwerten.
Warum ist der Wärmestromexponent beim Rippenrohr anders als beim Glattrohr?
In den engen Rippenkanälen wird der Dampf anders abtransportiert und die Keimstellendichte ist höher als an der glatten Oberfläche. Dadurch steigt der Wärmeübergangskoeffizient mit der Wärmestromdichte schwächer bzw. anders als beim Glattrohr; der Vorteil des Rippenrohres ist bei kleinen und mittleren Wärmestromdichten am größten und nimmt zu hohen Belastungen hin ab.
Gilt die Methode für beliebige Hochleistungsrohre?
Die Korrelation ist an niedrig berippten Rohren und marktüblichen strukturierten Siederohren abgesichert. Für Rohre mit stark hinterschnittenen Strukturen (Re-Entrant-Kavitäten) streuen die Herstellerdaten erheblich; hier sollte der Bezugswert des Wärmeübergangskoeffizienten aus Messungen des Herstellers übernommen und nur die Druck- und Lastabhängigkeit mit dem Modul skaliert werden.
Technische Inhaltsbasis: LV-Solved-Problems-Content 628d313247e7