Rohrwendel-Abhitzekessel
Das Programm WAK dient zur Berechnung von Abhitzewärmetauschern in Rohrschlangenbauweise. In den Rohrwendeln wird in der Regel Thermalöl oder Wasser und um die Rohrwendeln Rauchgas geführt. Die Strömungsführung der Medien kann sowohl im Gegenstrom als auch im Gleichstrom erfolgen. Die Rohrwendel und die Ringspalte werden jeweils parallel durchströmt.
Es können bis zu 14 konzentrische Rohrkörbe angewählt werden. Zusätzlich kann gewählt werden, ob um den Verdrängerkörper oder am Mantel Rauchgas strömen soll oder ob der jeweils innerste und äußerste Korb an der Wandung anliegt. Die Rohrgeometrien und die Anzahl der Rohre in den Wendeln sind frei wählbar.
In den Rohren
H2O Wasser
TOIL Thermalöle TOIL
OEL Verschiedene Getriebeöle, Hydrauliköle, Maschinenöle, Thermalöle zum Teil für verschiedene Viskositätsklassen
HFO Schwere Heizöle (HFO 030 – HFO 700 sowie Diesel, Gasöl und Luböl)
SDAT Freie Eingabe der Stoffdaten
PROP* Stoffwerteprogramm PROPER von Lauterbach Verfahrenstechnik GmbH
FRIG* Kältemittel
CO2* Kohlendioxid
Um die Rohre
RGAS Rauchgase
LUFT Luft
SDAT Freie Eingabe der Stoffdaten
PROP* Stoffwerteprogramm PROPER von Lauterbach Verfahrenstechnik GmbH
FRIG* Kältemittel
CO2* Kohlendioxid
*) gegen Aufpreis
Die Berechnung des Druckverlustes und der einzelnen Volumenströme erfolgt auf Grundlage des Kapitels L1.2 (VDI-Wärmeatlas). Die Volumenströme in den einzelnen Rohren werden iterativ so variiert, dass in jeder Wendel der Druckverlust gleich hoch ist.
Mit den iterativ bestimmten Volumenströmen in den Rohren wird für jede Wendel der innere Wärmeübergangskoeffizient auf der Grundlage des Kapitels G3 (VDI-Wärmeatlas) berechnet.
Zusätzlich wird ein flächengemittelter Wärmeübergangskoeffizient ausgerechnet. Dabei wird bei der äußersten und innersten Wendel berücksichtigt, ob diese voll oder nur auf einer Seite umströmt ist.
Die Spalte im Außenraum des Abhitzers werden parallel durchströmt. Der Druckverlust und die einzelnen Volumenströme werden - analog zur Druckverlustberechnung in den Wendeln - auf Grundlage des Kapitels L1.4 (VDI-Wärmeatlas) berechnet.
Bei den Spalten am Verdrängerkörper und am Mantel wird die Größe „Querteilung“ so bestimmt, dass die maximale Geschwindigkeit im Spalt so groß wie die Geschwindigkeit im engsten Querschnitt eines Rohrbündels mit dieser Querteilung ist.
Mit den iterativ bestimmten Volumenströmen werden die einzelnen Wärmeübergangskoeffizienten (konvektiv) auf der Grundlage der von F. Brandt [2] angegebenen Gleichungen berechnet. Die Berechnung erfolgt im Kapitel WROK des Programmpaketes. Zusätzlich wird ein flächengemittelter Wärmeübergangskoeffizient errechnet. Auch dabei wird berücksichtigt, ob der jeweilige Korb beidseitig umströmt ist.
Die durch Wärmestrahlung aus dem Rauchgas an die
Rohrwände übertragene Wärmeleistung wird nach
H. Haussen [3] an zwei ausgewählten Punkten berechnet und über den
gesamten Tauscher interpoliert. Die Berechnung der Wärmeströme an den
ausgewählten Punkten erfolgt auf der Grundlage des Kapitels K3
(VDI-Wärmeatlas).
Aus den Wärmeübergangskoeffizienten, der Wärmeleitung in der Rohrwand und unter Berücksichtigung von evtl. vorhandener Verschmutzung auf der Rohraussenseite wird die Wärmedurchgangszahl k berechnet. Aus dieser Wärmedurchgangszahl k, der zu übertragenden Wärmeleistung und der logarithmischen Temperaturdifferenz des Tauschers wird eine erforderliche Übertragerfläche Asoll berechnet. Deren Verhältnis zur tatsächlich vorhandenen Übertragerfläche gibt als Leistungszahl an, inwieweit der Tauscher die geforderte Leistung übertragen kann.
Zur Berechnung der maximalen Filmtemperatur wird die Wendel mit dem niedrigsten inneren Wärmeübergangskoeffizienten und der Abschnitt mit dem höchsten Temperaturniveau gewählt.
Starten Sie das Programm mit Doppelklick auf den Icon "Wendelrohr-Abhitzekessel" aus der Programmgruppe "Rohrwendel"
Oder im Treeview
Nach dem Programmstart erscheint eine Auswahlform zum Programm WAK.
Wählen Sie hier die Anzahl der Rohrkörbe, die Strömungsführung, die Aufstellung des Tauschers (aus Sicht des Rauchgases) sowie das rohrseitige Medium.
Bestätigen Sie die Auswahl anschließend mit "OK".
Nach der Auswahlform gelangen Sie in die Ein-Ausgabenmaske des Programmes WAK, in der die wichtigsten Variablen aufgeführt sind.
Hier tragen Sie Werte ein oder bearbeiten diese, wie es in der allgemeinen Hilfe zu den LV-Programmen beschrieben ist.
Da die Berechnung des Wärmetauschers relativ aufwendig ist und viele Iterationsschritte erfordert, sollten Sie nach Abschluss der Berechnung nochmals „F7“ drücken. Dies veranlasst das Programm, alle Gleichungen noch einmal durchzurechnen.
Unter Umständen verändert sich das Ergebnis daraufhin nochmals.
Ein Abhitzewärmetauscher soll ausgelegt werden.
Die Leistungsdaten sind:
· Rauchgasmenge 7000 N m³/h (Normvolumenstrom)
· Rauchgastemperaturen TE/TA 600/250 °C
· In den Rohren Wasser
· Wassertemperaturen TE/TA 130/160 °C
Wasserdruck 10 bar
Das Rauchgas stammt aus einer Heizölverbrennung. Die Temperatur am Tauscheraustritt darf aus prozesstechnischen Gründen nicht über 250°C liegen.
Die Rohrabmessungen betragen für alle Wendeln da: 60,3mm x 2,9mm
1. Start des Programmes WAK durch Doppelklick auf den Icon
2. Nach dem Programmstart erscheint die Auswahlform
Wir vermuten, dass 5 Rohrkörbe benötigt werden. Das Rauchgas durchströmt den Tauscher vertikal von unten nach oben. Als rohrseitiges Medium wählen wir Wasser.
Nach Bestätigung der Auswahl mit „OK" erscheint die Berechnungsmaske.
Geben Sie hier die Geometriedaten und die bekannten Daten für die Stoffströme ein. In diesem Beispiel berücksichtigen wir keine Verschmutzung auf den Rohren (Fouling).
Nach Eingabe der Temperatur und des Drucks für das Rauchgas wird das Mantelmedium abgefragt. In unserem Falle ‚Rauchgas aus Heizöl’.
Nach Eingabe der Ein- und Austrittstemperaturen sowie des Normvolumenstroms auf der Rauchgasseite wird der Abhitzer thermisch und hydraulisch berechnet. Das Programm wechselt dazu selbständig in die jeweiligen Unterkapitel und gibt nach der Berechnung die wichtigsten Ergebnisse auf der Maske aus.
Die Bewertung des Wärmeübertragers erfolgt
über die Leistungszahl. Die Leistungszahl ist definiert als
Verhältnis der vorhandenen Wärmeübertragerfläche Aist
zu der wärmetechnisch notwendigen Fläche Asoll.
Asoll ist die Fläche, um die geforderte Leistung zu
übertragen.
Die Leistungszahl sollte immer > 1 sein.
Im vorliegenden Beispiel beträgt die Leistungszahl LZ = 0,917 , d.h. der Wärmeübertrager hat nur 91,7 % der Fläche, die notwendig wäre, um die geforderte Leistung zu übertragen; er ist um 8,3 % unterdimensioniert.
Der Wärmeübertrager wird etwas länger, in dem man die Wendellänge erhöht.
Die Leistungszahl beträgt jetzt 1,181 d.h. der Wärmeübertrager hat eine Flächenreserve von 18,1 %.
Zusätzlich kann jetzt noch die Verschmutzung der Wärmeübertragerfläche außen über einen Fouling-Widerstand / Verschmutzungswiderstand berücksichtigt werden. Im Programm WAK sind gängige Foulingwiderstände für verschiedene Fluide hinterlegt. Sie können diese Werte abrufen, indem Sie das Eingabefeld für den Verschmutzungswiderstand außen anklicken und anschließend
·
Taste F3 drücken
(Es werden verschiedene Tabellen mit Foulingwiderständen angezeigt)
·
rechte Maustaste drücken und im angezeigten Fenster
„Wertvorschläge“ anklicken.
Hier können Sie direkt durch einen Doppelklick auf einen Foulingfaktor
diesen Wert in das Programm WAK übernehmen.
Tragen Sie den Wert 0,00018 m² · K / W als Verschmutzungsfaktor ein.
Die Leistungszahl beträgt jetzt 1,175.
Einen guten Überblick über die thermischen und hydraulischen Eigenschaften des Tauschers erhält man durch die Ansicht der Zwischengrößen:
Man erhält in unserem Fall folgende Werte:
[1] VDI-Wärmeatlas
[2] F.Brandt, Wärmeübertragung in
Dampferzeugern und Wärmetauschern,
Band 2, Vulkan-Verlag, Essen 1995
[3] Helmuth Haussen,
Wärmeübertragung in Gegenstrom, Gleichstrom und Kreuzstrom
Springer-Verlag, 1976