Einführung, Grundlagen und allgemeine Hinweise
Das vorliegende Rechenprogramm stützt sich in den Kernroutinen auf das Kapitel Jbb des VDI-Wärmeatlas (8. Auflage 1997). Die dort dargestellten Grundlagen sollen daher hier nicht wiederholt werden. Der wichtigste Punkt der modellmäßigen Beschreibung des Kondensationsvorganges von Dampfgemischen ohne und mit Inertgaskomponenten ist, gegenüber älterer Praxis, die physikalisch angemessene und notwendige Einbeziehung der dampfseitigen Diffusionsgrenzschicht.
Diese Grenzschicht ist die Hauptursache für zusätzliche Widerstände beim Stoff- und Energietransport, wie es bereits im Jahre 1882 von Stephan (Ann. der Physik, Bd. 17) für die Kondensation eines Dampfes bei Anwesenheit von Inertgas beschrieben wurde. Letzterer Fall ist der Grenzfall des Problems; bereits bei der Kondensation eines binären Dampfgemisches treten in der Regel Abweichungen von der Gleichgewichtskondensation (Taupunkt) und damit niedrigere Temperaturen an der Phasengrenze auf.
Innerhalb der gasseitigen Grenzschicht stellen sich Konzentrationsprofile derart ein, daß jeweils nach den herrschenden Bedingungen auch Totalkondensation des Dampfes auftreten kann. Weil direkt an der Kondensatoberfläche Gleichgewicht zwischen Dampf und Kondensat herrschen muß und deshalb die Dampfzusammensetzung dort anders als in der Kernströmung des Dampfes ist, diffundieren (wie im erwähnten Grenzfall die Inertgase) die höhersiedenden Komponenten in der Grenzschicht gegen die Rückströmung der zunächst mitgeschleppten tiefersiedenden Komponenten. Diese Prozesse und die zugehörigen lokalen Gleichgewichtsbedingungen sind im erwähnten Kapitel Jbb zu einem mathematischen Verfahren zusammengfasst, das eine iterative Lösung zugänglich macht.
Programmiert wurde das Verfahren hier mit der Beschränkung auf maximal 10 Dampf-Komponenten. Es lassen sich jedoch einander in ihren Eigenschaften ähnliche Komponenten zu sogenannten Pseudokomponenten zusammenfassen, so daß auch Gemische mit mehr als 10 Komponenten hier dem Verfahren der Diffusions-grenzschicht zugänglich sind. Die benötigten Stoffdaten werden dabei online mit dem Programm Proper beschafft. Die Berechnung des Wärme- und Stoffübergangs folgt wiederum dem VDI-Wärmeatlas. Berechnet werden auch die Grenzzustände, nämlich nur (noch) Inertgas auf der "Gasseite" des Kondensators, oder nur noch Flüssigkeit (das Kondensat) auf der Gasseite und die Unterkühlung dieses Kondensats.
Allerdings entspricht bislang noch der Mangel einer breiten Basis praktischer Erfahrung mit dem Verfahren des Kapitels Jbb wohl vorwiegend dem Mangel an entsprechenden Rechenprogrammen.
Neben diesem physikalisch hochauflösenden Verfahren nach Kapitel Jbb steht im vorliegenden Rechenprogramm auch das Muko-Verfahren (Multi Komponenten Kondensation) zur Verfügung, bei dem für Stoffgemische mit beliebig vielen Komponenten eine sogenannte "heat curve" für die Taulinie zur Verfügung gestellt werden muß, mit deren Hilfe und unter Verwendung von empirischen Korrekturen der Kondensationsprozess angenähert beschrieben werden kann. Die "heat curve" muß Aussagen bereitstellen über den Dampfmassenanteil in der Gesamtströmung in Abhängigkeit von der Temperatur, sowie über die effektiven latenten Wärmen und die Stoffdaten des Dampfes und des Kondensates. Es handelt sich also um eine, im Gegensatz zum Jbb-Verfahren, nicht lokal, sondern global eindimensionale und stark vereinfachte Beschreibung, die je nach den behandelten Bauformen mehr oder weniger an ihre Grenzen stößt. Diese Näherungsmethode wurde berücksichtigt, weil sie in der Praxis verlangt wird.
Die im Anwendungsfall durchgeführten Berechnungen werden grundsätzlich begleitet und kontrolliert durch eine Bilanzierung der Komponenten-Stoffströme und der Wärmeströme. Auftretende Abweichungen oberhalb von 0,01 % werden im Endergebnis angezeigt. In manchen Fällen können auch Restfehler bis etwa 3 % in der Wärmebilanz auftreten, abhängig insbesondere auch davon, ob alle notwendigen Stützstellen für die Stoffeigenschaften mit Proper, bzw. ggf. mit Atlas "TOIL" für das Kühlmittel, beschafft werden konnten, aber auch aufgrund von Eigenschaften der Bauform, und nicht zuletzt natürlich auch durch Vereinfachungen in der Modellierung und durch Fehler aufgrund der endlichen Schrittweiten bei der Integration. Insbesondere bei Gegenstrom von Dampf und Kondensat sind bei dem zugrunde gelegten iterativen Lösungsverfahren Restfehler der Bilanzen nicht völlig auszuschließen.