Bedienung

Nach dem Programmstart erscheint die Auswahlform "Auswahl der Grunddaten".

Sie ist standardmäßig vor-belegt mit den Einstellungen für die Berechnung von Rohrbündel-Wärme­über­tragern mit Segment­umlenk­­blechen.

Die Form

'Auswahl der Grunddaten' ermöglicht die Vorgabe von Werksnormen oder Baureihen-größen sowie die Auswahl der Medien.

Das Programm WTS ist so konzipiert, dass mit wenigen Mausklicks der Typ und der grundsätzliche Aufbau eines Wärme­übertragers sowie rohr- und mantelseitiges Medium ausgewählt werden können.

>> Nach Eingabe von nur sieben Werten (Temperaturen, Drücke, Massenströme bzw. Leistung) wird ein konstruktionsgerechter Rohrspiegel erzeugt und der Wärmeübertrager ausgelegt

Vor Beginn der Berechnung sollten der Typ und der grundsätzliche Aufbau des Wärmeübertragers möglichst schon feststehen. Für diese Festlegung steht die Auswahlform "Auswahl der Grunddaten" zur Verfügung. Außerdem ermöglicht diese Auswahlform die Verwendung von Standardwerten für die Rohr- und Mantelabmessungen, so dass bei der Auslegung des Wärmeübertragers Baureihengrößen oder Werksnormen eingehalten werden können.

Die in der Tabelle angegebenen Grunddaten können gewählt werden:

Unter Rohrabmessungen sind verschiedene Standardrohre entsprechend den DIN-Normen vorgegeben.
(s. Im Programm hinterlegte Rohre, Rohrteilungen, Mäntel, Rohrmaterialien, etc.)

Die Angaben 25 x 2 Bü-Ma 12 Bieger. 37 bedeuten:

·         Rohraußendurchmesser 25 mm

·         Wanddicke 2 mm

·         Mindestabstand Bündel-Mantel 12 mm (Dieser Abstand wird bei vollständiger Berohrung des Mantels nicht unterschritten. Der Wert kann im Laufe der Berechnung vom Anwender noch auf der WTS-Eingabemaske nachträglich geändert werden. Wenn in der Form 'Auswahl der Grunddaten' die Option 'TEMA Standard' gewählt wurde, wird der Mindest-Abstand zwischen Rohrbündel und Mantel nach TEMA berechnet und kann nicht mehr geändert werden. Wenn der Wert geändert werden soll, so muss die Option 'TEMA Standard' in der 'Auswahl der Grunddaten' deaktiviert werden.

·           Biegeradius bei U-Rohren 37 mm. Die Angabe bezieht sich auf den kleinstmöglichen Biegeradius. Dieser wird im Wesentlichen vom Rohrdurchmesser, von der Wandstärke und vom Rohrmaterial bestimmt.

Biegeradien für einige Rohre aus C-Stahl und CrNi-Stähle

Werden die am nächsten an der Apparatemittellinie gelegenen Rohre über Kreuz gebogen oder werden die einzelnen Gänge durch Trennwände in den Hauben voneinander getrennt, sollte anstatt des Biegeradius die Gassenbreite angegeben werden.

Die Gassenbreite ist der lichte Abstand der Rohre zwischen zwei Gängen. Die Gassenbreite ergibt sich aus dem Biegeradius:

                Gassenbreite = 2 · Biegeradius - Rohraußendurchmesser

>> Biegeradius bzw. Gassenbreite werden nur bei 2 und mehr rohrseitigen Durchgängen benötigt.

Der Mindestabstand Bündel-Mantel wird bei Drallrohren standardmäßig auf 12 mm gesetzt. Er kann auf der Programm-Maske nachträglich geändert werden.

Abstand und Anordnung der Rohre im Rohrbündel.

·         Die Anordnung der Rohre im Rohrbündel wird über die Querteilung, die Längsteilung und den Teilungswinkel bestimmt.

·         Die Querteilung ist der Abstand der Rohrmittelpunkte zweier benachbarter Rohre in einer Rohrreihe quer zur Strömungsrichtung.

·         Die Längsteilung ist der Abstand zweier benachbarter Rohrreihen in Strömungsrichtung, jeweils von Rohrmittelpunkt zu Rohrmittelpunkt.

·         Die Quer- und die Längsteilung sind über den Teilungswinkel miteinander verknüpft.

Es gibt vier gebräuchliche Rohrteilungen, wobei die 60° Teilung die gebräuchlichste Teilung ist.
(s. Im Programm hinterlegte Rohre, Rohrteilungen, Mäntel, Rohrmaterialien, etc.)

Es bedeuten 32 x 60°

Querteilung        32 mm

Teilungswinkel   60°

a) Dreiecks-Teilungen mit  60° und 30°

Mit den Dreiecks-Teilungen lässt sich die größte Rohrdichte im Mantel erreichen, d.h. in einem gegebenen Mantel können ca. 15% mehr Rohre untergebracht werden als mit einer quadratischen Teilung. Außerdem ist der Wärmeübergang besser als bei den quadratischen Teilungen, d.h. mit der gleichen Fläche kann eine größere Leistung übertragen werden als mit einer quadratischen Teilung.

Nachteile der Dreiecksteilungen:

Es ist keine mechanische Reinigung der Rohraußenseite möglich. Der Druckverlust ist größer als bei einer quadratischen Teilung.

b)  Quadratischen Teilungen mit 45° und 90°

Eine quadratische Teilung sollte für alle Wärmeübertrager vorgesehen werden, bei denen auf der Mantelseite mit einer größeren Verschmutzung und mit Reinigung der Rohroberflächen zu rechnen ist.

Die 45° Teilung bewirkt im laminaren Bereich durch die Turbulenzverbesserung einen besseren Wärme-übergang als die 90° Teilung.

Ist der Druckverlust limitierend, sollte im turbulenten Bereich die 90° Teilung verwendet werden.

Umrechnung von Teilungen

Bei der 60° Teilung sollte die Querteilung ca. 1,25 - 1,5mal dem Rohraußendurchmesser sein.

Ausgehend von dieser Querteilung können dann die Querteilungen der 30°, 45° und 90° Teilungen berechnet werden.

Hier werden Rohrmaterial und dessen Wärmeleitfähigkeit ausgewählt. Die Einheit der Wärmleitfähigkeit ist [W/(m·K)].

Um ein neues Rohrmaterial und seine Wärmeleitfähigkeit zu speichern, tragen Sie in die Textfelder „Rohrmaterial“ und „Wärmleitfähigkeit“ die Daten ein und drücken den Button „Speichern“. (s. Im Programm hinterlegte Rohre, Rohrteilungen, Mäntel, Rohrmaterialien, etc.)

Bei Manteldurchmesser ist eine Vielzahl von Mänteln hinterlegt, entsprechend den Angaben in den DIN-Normen 2448 und 2458 für nahtlose und geschweißte Rohre (s. Im Programm hinterlegte Rohre, Rohrteilungen, Mäntel, Rohrmaterialien, etc.).

Es bedeuten: 273 x 6.3 ABST. - UB 100

·         Mantelaußendurchmesser 273 mm

·         Wanddicke 6.3 mm

·         Mindestabstand der Umlenkbleche 100 mm
(Dieser Abstand wird bei der Auslegung des Wärmeübertragers nicht unterschritten. Er kann bei der Berechnung auf der WTS-Eingabemaske nachträglich geändert werden.)

>> Der Mindestabstand der Umlenkbleche sollte nicht kleiner als 20% des Mantelinnendurchmessers sein, jedoch mindestens 50 mm betragen.

Haben Sie für den Manteldurchmesser "Freie Eingabe / Auslegen" gewählt, wählt das Programm während der Berechnung des Wärmeübertragers selbständig einen Mantel aus der Liste aus. Das Auswahlkriterium ist die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren. Das Programm geht dabei so vor, dass bei vollständiger Berohrung des Mantels die gewünschte Geschwindigkeit in den Rohren nicht überschritten wird. Die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit stellt somit eine Obergrenze für Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren dar.

Der Mantel kann nachträglich geändert werden, indem entweder in der Form „Auswahl der Grunddaten ein neuer Mantel gewählt wird, oder in der WTS-Maske der Mantelaußendurchmesser und die Wanddicke eingegeben werden. Auch ist es möglich auf der WTS-Maske die Rohrzahl einzugeben. Das Programm wählt dann aus den hinterlegten Mänteln den Mantel aus, der die eingegebene Rohrzahl aufnehmen kann. Da der Mantel immer vollständig berohrt wird, werden die eingegebene Rohrzahl und die berechnete Rohrzahl in der Regel nicht übereinstimmen. Damit das Programm den nächstgrößeren Mantel wählt, reicht es die Rohrzahl geringfügig zu erhöhen. Soll ein kleinerer Mantel gewählt werden, muss die Rohrzahl deutlich verringert werden.

Wird die Option „Standardwerte“ deaktiviert und eine Rohrzahl eingegeben, ermittelt das Programm genau den für diese Rohrzahl notwendigen Mantelinnendurchmesser. Dies ist in der Regel kein DIN-Mantel, d. h. der Mantel muss gefertigt werden

Mit dem Bündeltyp legen Sie die Bauart des rohrseitigen Endkopfes fest. In Verbindung mit der Option "Tema Standard" wird für den jeweiligen Endkopf die Berechnung des Rohrspiegels mit den Werten nach dem TEMA-Standard abgeglichen.

Die Einbaulage ist nur bei Kondensationsvorgängen relevant, da je nach Aufstellungsart des Wärme­übertragers für die thermische Berechnung unterschiedliche Korrelationen verwendet werden müssen.

Die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren bestimmt die Wahl des Manteldurchmessers, wenn unter Manteldurchmesser "Freie Eingabe / Auslegen" gewählt wurde.

Das Programm versucht, die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren nicht zu überschreiten und wählt den geeigneten Mantel aus der Liste der Mäntel unter "Manteldurchmesser" aus.

Wurde unter Manteldurchmesser ein Mantel ausgewählt, liegen die Rohrzahl und somit auch die Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren fest, so dass die Angabe der gewünschten Geschwindigkeit in den Rohren keinen Sinn macht und deshalb ausgeblendet wird.

Der Wert für die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren kann jederzeit vom Anwender durch einen Klick auf das Wertfeld überschrieben werden.

Richtwerte für die Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren

          (Quelle: Walter Wagner, Wärmeübertrager)

Nach oben ist die Strömungsgeschwindigkeit infolge von Kavitation und Erosionserscheinungen begrenzt. Um Erosion in den Ein- und Austrittsbereichen zu vermeiden, sollte zusätzlich zur Geschwindigkeit auch das Produkt aus Dichte und quadrierter Fluidgeschwindigkeit  geprüft werden. Dieser dynamische Druck berücksichtigt den Einfluss der Fluidmasse.

Die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit im Mantelraum dient zur Ermittlung des Segmentblech-Abstandes. Wenn Sie die Option "Tema-Standard" gewählt haben, wird der sich ergebende Wert gegen die Grenzen nach Tema geprüft und notfalls korrigiert.

Der Wert für die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit im Mantelraum kann jederzeit vom Anwender durch einen Klick auf das Wertfeld überschrieben werden.

Richtwerte für die Strömungsgeschwindigkeit im Mantel sind:

Nach oben ist die Strömungsgeschwindigkeit infolge von Rohr-Schwingungen, Kavitation und Erosions-erscheinungen begrenzt.

Um Erosion in den Ein- und Austrittsbereichen zu vermeiden, sollte zusätzlich zur Geschwindigkeit auch das Produkt aus Dichte und quadrierter Fluidgeschwindigkeit  geprüft werden. Dieser dynamische Druck berücksichtigt den Einfluss der Fluidmasse.

Maximalwerte für das Produkt ρ·v² auf der Mantelseite (TEMA Standard)

¹⁾ Geschwindigkeit bezieht sich auf die Geschwindigkeit im Stutzen

²⁾ Geschwindigkeit bezieht sich auf die Geschwindigkeit in der ersten Rohrreihe

Für alle anderen Gase und Dämpfe sowie alle gesättigten Dämpfe und für Flüssigkeit-Gas-Gemische ist ein Prallblech am Eintritt vorzusehen.

Das rohr- und mantelseitige Medium wird durch Öffnen der Pull-Down Menüs und Anklicken der gewünschten Stoffe gewählt. Der Phasenzustand der Medien, "flüssig, gasförmig oder Kondensation", der für die Berechnung des Wärmeübergangs von Bedeutung ist, wird automatisch gesetzt. Die Werte für die gewünschten Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohren und im Mantelraum werden an den Phasenzustand angepasst.

Bei Wahl von "Freier Eingabe", "Kältemittel", "Proper" und "STAB" (Stoffwerttabellen vom Anwender) muss der Phasenzustand vom Anwender angegeben werden. Die Werte für die gewünschten Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohren und im Mantelraum werden dann an den Phasenzustand angepasst.

Bei Wahl von "Freier Eingabe" müssen die Stoffwerte von Hand eingegeben werden (siehe Handeingabe von Stoffwerten).

Das Grundpaket WTS verfügt über verschiedene Einzelstoffwert-Module:

Diese Liste ist durch Einfügen weiterer Stoffwertmodule, die nicht im Grundpaket enthalten sind, erweiterbar. Außerdem kann das LV Stoffdaten-Programm 'PROPER' (sofern erworben) eingebunden werden, dessen Datenbank über 800 Stoffe enthält.

PROPER liefert die Stoffdaten von reinen Stoffen und Stoffgemischen. Die freie Eingabe von Stoffwerten mit Hilfe des Moduls SDAT ist möglich. Wurden beide Medien mit dem Menüpunkt "Grunddaten" vorgewählt, werden die Stoffwerte automatisch mit den entsprechenden Modulen berechnet (z.B. Wasser, Luft, Erdgas). Eine Ausnahme bilden die feuchten Gase, deren Stoffwerte mit Hilfe des HX-Moduls (nicht im Grundpaket enthalten) erzeugt werden müssen.

Die Option "TEMA Standard" bewirkt, dass die nach TEMA spezifizierten Abmessungen bei der Berechnung eingehalten werden. Diese Werte können durch Aufrufen des Moduls TEMA aus der Maske eingesehen werden. Mit Auswahl des Bündeltyps liegt auch der Mindestabstand Bündel - Mantel über den TEMA-Code fest.

Standardmäßig werden in WTS einfach Segmentumlenkbleche berechnet. Die Fenstergröße sollte zwischen 15% und 40 % des Mantelinnendurchmessers betragen.

Abstand der Umlenkbleche

Der Abstand der Umlenkbleche wird gemäß der Gewünschte Strömungsgeschwindigkeit im Mantelraum vom Programm berechnet.

Dabei wird zuerst der Abstand zwischen dem Rohrboden und dem 1. Umlenkblech gleich dem Abstand der Umlenkbleche gesetzt (siehe Abstand Rohrboden - 1.Umlenkblech vorgeben).

Der Abstand der Umlenkbleche kann nachträglich in der WTS-Maske eingegeben werden.

Mit der Option 'Keine Rohre in den Fenstern' wird ein Rohrspiegel erzeugt, bei dem die Fensterzonen nicht berohrt sind. (Siehe Segmentumlenkbleche)

Anwendungsfälle:

·          Vermeidung von Rohrschwingungen
Die freie Rohrlänge wird auf den Abstand der Umlenkbleche reduziert. In der Fensterzone  beträgt die freie Rohrlänge zweimal den Abstand der Umlenkbleche.

·          Deutliche Reduzierung des Druckverlustes in den Fensterzonen

Die Option "Kreisring / Kreisscheiben" ermöglicht die Berechnung von Rohrbündel-Wärmeübertragern mit Kreisringen und Kreisscheiben als Umlenkbleche. Es müssen auf der WTS-Eingabemaske der Lochdurchmesser Kreisscheibe und der Durchmesser Kreisring angegeben werden.

>> Nur ein mantelseitiger Durchgang!

Mit den Optionen 'Keine Rohre um Kreisscheibe' und 'Keine Rohre im Kreisring' wird ein Rohrspiegel erzeugt, bei dem die Zonen um die Kreisscheibe und / oder im Kreisring nicht berohrt werden. (siehe Kreisring / Kreisscheiben)

Anwendungsfälle:

·          Vermeidung von Rohrschwingungen
Die freie Rohrlänge wird auf den Abstand der Umlenkbleche reduziert. In der Fensterzone beträgt die freie Rohrlänge zweimal den Abstand der Umlenkbleche.

·          Deutliche Reduzierung des Druckverlustes in den Fensterzonen

Mit der Option "Mantel ohne Einbauten" können Rohrbündel-Wärme­übertrager ohne Einbauten im Mantelraum berechnet werden. Im Gegensatz zum Doppelrohr-Wärmeübertrager, der nur aus einem äußeren und einem inneren Rohr besteht, wird bei 'Mantel ohne Einbauten' ein Rohrbündel vorausgesetzt.

Spiral-Umlenkbleche haben folgende Vorteile gegenüber Segment-Umlenkblechen:

·         verbesserten Wärmeübergang im Außenraum bei gleichem Druckverlust,

·         geringeren Druckverlust bei gleichem Massenstrom im Außenraum,

·         kleinere Bypass- und möglicherweise kleinere Leckströmungen als Folge des geringen Druckverlusts,

·         geringere Ablagerungen als Folge der geringeren Toträume im Außenraum und

·         geringere strömungsinduzierte Schwingungen.

Nachteilig für den Einsatz von Spiral-Umlenkblechen sind das komplizierte Herstellungsverfahren und die höheren Herstellungskosten. Dies relativiert sich unter Umständen beim Einsatz additiver Fertigungsmethoden.

Im Vergleich zu den Segment-Umlenkblechen und zu den Diskontinuierlichen Spiralumlenkblechen haben die kontinuierlichen Spiral-Umlenkbleche das höchste „Wärmeübergang/ Druckverlust“ Verhältnis; nachteilig ist das komplizierte Herstellungsverfahren. Außerdem können die kontinuierlichen Spiral-Umlenkbleche nicht bis zur Mittellinie des Mantels gefertigt werden. Öfter wird ein Zentralrohr im Zentrum des Mantelraums eingesetzt

Schematische Darstellung eines Rohrbündel-Wärmeübertragers mit kontinuierlichen Spiral-Umlenkblechen im Außenraum und mit einem Zentralrohr

Nachteilig für die einfachen diskontinuierlichen Spiral-Umlenkbleche sind die vorhandenen dreieckigen Spalte zwischen den benachbarten Umlenkblechen (s. Abb.), die zu zusätzlicher Leckströmung zwischen den Spiral-Elementen führen. In manchen Ausführungen werden diese Spalte mit Blechen abgedeckt; dies verbessert den Wärmeübergang, erhöht aber gleichzeitig den Druckverlust und die Herstellungskosten.

Schematische Darstellung eines Rohrbündel-Wärmeübertragers mit einfachen diskontinuierlichen Spiral-Umlenkblechen im Außenraum

Zur Reduzierung der strömungsinduzierten Schwingungen in Rohrbündel-Wärmeübertragern ohne Umlenkbleche können Stützgitter „Rod-Baffles“ eingesetzt werden. Stützgitter haben neben dem Vorteil die Rohre zu stützen, die weiteren Vorteile, dass sie den Wärmeübergang im Mantelraum verbessern (nicht vergleichbar stark wie Segmentumlenkbleche) und dass der mantelseitige Druckverlust im Vergleich zu dem mit Segment-Umlenkblechen kleiner ist.

Stützgitter in einem Rohrbündel-Wärmeübertrager mit quadratischer Rohrteilung

Die Option "Innenberippte Rohre" erlaubt die Berechnung von Wärmeübertragern mit innenliegenden Längs- oder Spiralrippen. Neben der Anzahl und der Geometrie der Rippen muss auch der Steigungswinkel angegeben werden. Er beträgt für Längsrippen 0° und ist bei Spiralrippen auf maximal 30° beschränkt.

Die Option "Spiral-Einbauten" erlaubt die Berechnung von Wärmeübertragern mit Spiraleinbauten in den Rohren. Im Laufe der Berechnung wechselt WTS in das Modul TWIS. Dort müssen die Schraubenganghöhe oder die Schraubensteigung sowie die Schraubendicke eingegeben werden. Nach Eingabe dieser Größen wechselt das Programm wieder zur Eingabemaske von WTS zurück.

Die Option "Drallrohre" ermöglicht die Berechnung des Wärmeübergangs und des Druckverlustes bei der Strömung durch einseitig- und kreuzgedrallte Rohre. Zur Auswahl stehen verschiedene Rohrtypen von HDE GmbH Menden, im Durchmesserbereich zwischen 13,5 bis 28 mm, die nach Anklicken der Option Drallrohre aus einem Pull-Down Menü ausgewählt werden können.

Durch die Option "Außen niedrig-berippte Rohre" können 

Wärmeübertrager mit querberippten Rohren berechnet werden. Die Berechnung ist auf Rippen niederen Querschnitts zugeschnitten (Low fin). Nach dem Setzen dieser Option sind in der WTS-Eingabemaske die Eingabe des Rippendurchmessers, der Rippenteilung und der Rippendicke notwendig.

Die Rohre sind charakterisiert mit ca. 630 - 1000 Rippen / m (16 - 26 fins / in) und einer Rippenhöhe von
1 bis 2 mm. Die Flächenvergrößerung gegenüber dem Glattrohr beträgt ca. 200 % - 300 %.

>> Diese Rippenrohre sollten nicht verwendet werden bei Kondensation im Mantelraum.

Die Option "Außen längsberippte Rohre" ermöglicht in Verbindung mit "Mantel ohne Einbauten" die Berechnung eines Wärmeübertragers mit längsberippten Rohren. Nach dem Setzen dieser Option können die Geometrie und die Wärmeleitfähigkeit der Rippen in der WTS-Eingabemaske eingetragen werden.

Die Option "Lamellenblock" erlaubt die Berechnung von Rohrbündel-Wärmeübertragern mit Lamellenblock. Neben der Wärmeleitfähigkeit der Rippen muss noch die Rippenteilung und die Rippendicke in die WTS-Eingabemaske eingegeben werden.

Die Option "Doppelrohr-Wärmeübertrager" ermöglicht die Berechnung eines Wärmeübertragers, der aus einem inneren und äußeren Rohr besteht. Das Innenrohr und das Mantelrohr können aus den Auswahlfeldern auf der linken Seite gewählt und später auf der WTS-Maske nachträglich geändert werden.

Mit dem Button "Rohrspiegelbibliothek" können Sie die Werte eines von Ihnen erstellten Rohrspiegels aus Ihrer Rohrspiegelbibliothek in den Menüpunkt Grunddaten übernehmen. Nach Betätigung erscheint eine Tabelle, in der Sie den gewählten Rohrspiegel anklicken müssen.

Rohrspiegeldaten übernehmen

Durch Anklicken von "Rohrspiegel laden“" übernehmen Sie die Werte aus dem Rohrspiegel. Mit "Bearbeitung beenden " gelangen Sie zurück in das Grunddaten-Menü. Bereits gewählte Größen wie z.B. der Rohr- oder Manteldurchmesser werden durch diese Datenübernahme überschrieben.

>> Bitte beachten Sie, dass die Erstellung, die Bearbeitung und das Speichern des Rohrspiegels in der Rohrspiegel-Bibliothek nur im Modul SPIE möglich ist.

Nach beendeter Gunddatenauswahl bestätigen Sie Ihre Wahl mit "OK". Es öffnet sich eine weitere Auswahlform.

Anzahl der rohrseitigen Durchgänge

Durch einen Klick auf den entsprechenden Button legen Sie die Anzahl und die Anordnung der rohrseitigen Durchgänge fest.

Mantelseitige Durchgänge

Mit der Anzahl der mantelseitigen Durchgänge legen Sie fest, ob der Mantel durch ein Längsleitblech getrennt wird (Manteltyp F nach TEMA)

Bereits hier können die Systemdaten (Temperaturen, Drücke, Massenströme bzw. Wärmeleistung) vorgeben werden. Diese Werte können aber auch erst in die WTS-Grundmaske eingegeben werden Bestätigen Sie Ihre Auswahl mit "OK". Es erscheint die WTS-Grundmaske.

Auswahl von Bündel- und Manteltyp

Vorgabe:  Die Berechnung von Gleichstrom-Wärmeübertragern erfolgt nur für

·  Wärmeübertrager mit einem rohrseitigen und einem mantelseitigen Durchgang (1,1-Wärmeübertrager)

·  Wärmeübertrager  mit zwei rohrseitigen und zwei mantelseitigen Durchgängen (2,2-Wärmeübertrager).

Obwohl die Gleichstrom-Anordnung keinen Temperaturwechsel erlaubt und der thermische Wirkungsgrad kleiner ist als bei der Gegenstrom-Anordnung, gibt es einige Merkmale, die die Gleichstrom-Anordnung auszeichnen:

Merkmale

1.     Der Gleichstrom erzeugt eine gleichförmigere Rohrwandtemperatur als der Gegenstrom.

2.     Die höchste Wandtemperatur ist im Vergleich zu Gegenstrom-Anordnung niedriger.

3.     Dadurch werden ungewollte Unter- oder Übertemperaturen vermieden. Dies gilt z.B. für Wärmeübertrager in der Lebensmittelindustrie, in denen Temperaturgrenzen der Produkte (Eiweißkoagulation) eingehalten werden müssen.

Von der WTS-Eingabemaske aus steuert der Anwender den Ablauf seiner Berechnung. Von hier aus kann er in alle anderen Module wechseln.

In der WTS-Eingabemaske sind die notwendigen Eingabemöglichkeiten zur Berechnung eines Wärmeübertragers zusammengefasst. Die Eingabe­werte erscheinen auch in den Eingabemasken der entsprechenden Kapitel. Dort können sie ebenfalls eingegeben oder verändert werden, da die Kapitel untereinander verbunden sind.

In die Eingabemasken der einzelnen Kapitel gelangt man durch Anklicken der Tabs

WTS besitzt in der Eingabemaske speziell das Menü "GRUNDEINGABEN".

Über diesen Menüpunkt gelangen Sie wieder zurück in die Auswahlform "Auswahl der Grunddaten" und können dort die Rohre und die Rohrteilung ändern bzw. einen anderen Mantel wählen.

Mit diesem Menüpunkt ist die Ausgabe eines Spezifikationsblattes für eine abgeschlossene Berechnung in Microsoft EXCEL möglich. Microsoft EXCEL muss dazu installiert sein!

Die Sprache Deutsch, Englisch oder Französisch wählen Sie - sofern erworben bzw. verfügbar- über das Menü „Sprache“ im WTS Programm.

Über das Menü KUDO wird ein Datenblatt des Wärmeübertragers erzeugt, das im Vergleich zur WTS-Eingabemaske deutlich weniger Einträge enthält und für die Angebotsphase hilfreich ist. Diese eingeschränkte Dokumentation zeigt neben den Leistungsdaten nur noch wenige Geometriedaten, wie z.B. Manteldurchmesser und Rohrlänge.

Wird ein Rohrspiegel aus der Rohrspiegelbibliothek geladen, so ist dieser stets eingefroren, d.h. die geometrischen Größen des Wärmeübertragers sind fest und können weder auf der Eingabemaske überschrieben noch durch das Programm neu berechnet werden; die entsprechenden Felder auf der Eingabemaske sind hellgrau hinterlegt.

Wird eine Änderung dieser gesperrten Größen gewünscht, so muss der Rohrspiegel zum Editieren freigegeben werden. Dies erfolgt durch Anklicken des Menüpunktes Rohrspiegel einfrieren / editieren.

Ist die Option aktiviert (gekennzeichnet durch ein Häkchen), greift WTS bei der Auslegung eines Wärmeübertragers auf vorgewählte Abmessungen und auf Standardwerte zurück. 

Wird bei der Optimierung eines Wärmeübertragers z.B. die Rohrzahl vom Anwender neu eingegeben, wählt WTS den Mantel aus, in dem diese Anzahl von Rohren gerade noch untergebracht werden kann.

Wird die Option deaktiviert und die Rohrzahl nun neu eingegeben, berechnet WTS genau den Mantelinnendurchmesser, der sich für diese Rohrzahl ergibt. Wird die Option wieder aktiviert, erfolgt automatisch eine Neuauslegung des Wärmeübertragers, wobei WTS wieder auf einen hinterlegten Standardmantel zurückgreift. (siehe Im Programm hinterlegte Rohre, Rohrteilungen, Mäntel, Rohrmaterialien, etc. )

Der aktuelle Rohrspiegel wird im Grafik-Fenster angezeigt. Änderungen in der WTS Maske werden dynamisch in der Grafik nachgeführt.

Soll der Wärmeübergangskoeffizient in den Rohren nicht von WTS berechnet werden, sondern ist aus anderen Quellen bekannt (z.B. aus Messungen), so kann dieser Wert nach Anklicken der Option „Alpha in den Rohren vorgeben“ in das Feld „Wärmeübergangskoeffizient (innen)“ auf der WTS-Eingabemaske eingetragen werden.

Die Maske „Variable freimachen“ erscheint in diesem Fall nicht, d.h. es wird nicht auf eine abhängige Größe wie z.B. den Rohrdurchmesser, die Rohrzahl, die Strömungsgeschwindigkeit etc. zurückgerechnet. Durch erneutes Anklicken der Option „Alpha in den Rohren vorgeben" wird der Wärmeübergangskoeffizient in den Rohren wieder von WTS berechnet.

Soll der Wärmeübergangskoeffizient um die Rohre nicht von WTS berechnet werden, sondern ist aus anderen Quellen bekannt (z.B. aus Messungen), so kann dieser Wert nach Anklicken der Option „Alpha um die Rohre vorgeben“ in das Feld „Wärmeübergangskoeffizient (außen)“ auf der WTS-Eingabemaske eingetragen werden.

Die Maske „Variable freimachen“ erscheint in diesem Fall nicht, d.h. es wird nicht auf eine abhängige Größe wie z.B. Abstand der Umlenkbleche, Anzahl der Umlenkbleche etc. zurückgerechnet. Durch erneutes Anklicken der Option „Alpha um die Rohre vorgeben“ wird der Wärmeübergangskoeffizient um die Rohre wieder von WTS berechnet.

Vor Eingabe der Mantelstutzen wird der Abstand Rohrboden – 1. Umlenkblech gleich dem Abstand der Umlenkbleche gesetzt. Nach Eingabe der Stutzendurchmesser wird überprüft, ob der Abstand zwischen dem Rohrboden und dem ersten Umlenkblech kleiner als der Stutzendurchmesser plus einer vom Stutzendurchmesser und vom Manteldurchmesser abhängigen Abklinglänge ist. Ist dies der Fall, wird der Abstand Rohrboden – 1. Umlenkblech automatisch vergrößert.

Damit wird vermieden, dass sich das erste bzw. das letzte Umlenkblech unter dem Ein- bzw. Austrittsstutzen befindet. Die Vergrößerung des Abstandes wird bei der Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten über die Endraumkorrektur berücksichtigt. Dies kann zu einer nachträglichen Korrektur der erforderlichen Länge bzw. der Flächenreserve führen.

Der Abstand Rohrboden – 1. Umlenkblech kann auch eingeben werden, solange er größer als der Abstand der Umlenkbleche bzw. größer als der Stutzendurchmesser plus Abklinglänge ist. Kleinere Werte werden standardmäßig nicht angenommen.

Wird die Option „Abstand Rohrboden – 1. Umlenkblech vorgeben“ aktiviert, wird jeder positive Wert akzeptiert, auch wenn er kleiner als der Stutzendurchmesser ist. Der Abstand der Umlenkbleche wird dann immer berechnet, d.h. er kann nicht eingegeben werden (das Eingabefeld ist gesperrt). Der Abstand der Umlenkbleche muss dann über die Anzahl der Umlenkbleche eingestellt werden.

Wird in der Form „Auswahl der Grunddaten“ für eines der Medien „Freie Eingabe“ gewählt, so müssen die Stoffdaten für dieses Medium von Hand eingegeben werden. Dafür steht das Modul SDAT zur Verfügung. Nach Eingabe der Eintritts- und Austrittstemperatur sowie des Druckes wechselt das Programm in das Modul SDAT. Der Druck und die mittlere Temperatur wurden bereits in das Datenblatt eingetragen.

Benötigte Daten:

Flüssigkeiten und Gase (einphasige Medien)

Für die Berechnung des Wärmeübergangs und des Druckverlustes werden bei Flüssigkeiten und Gasen sowohl die Stoffwerte bei mittlerer Temperatur als auch bei Wandtemperatur benötigt. Beim ersten Aufruf von SDAT ist die Wandtemperatur jedoch noch nicht bekannt.

Geben Sie deshalb zuerst nur die Stoffwerte für die mittlere Temperatur ein. Nach vollständiger Dateneingabe wechselt das Programm wieder in die WTS-Maske. Nachdem die Wandtemperatur berechnet wurde, wechseln Sie wieder über den Tab „SDAT“ in das SDAT-Modul und tragen Sie die Stoffwerte bei Wandtemperatur nach.

Werden die Stoffwerte bei Wandtemperatur nicht eingetragen, werden bei der Berechnung des Wärmeübergangs und des Druckverlustes die Stoffwerte bei Wandtemperatur durch die Stoffwerte bei mittlerer Temperatur ersetzt. Die Genauigkeit der Berechnung nimmt in diesem Fall jedoch ab.

>> Insbesondere bei viskosen Medien wie Ölen können dann größere Fehler auftreten.

Kondensation von reinen Stoffen

Bei der Kondensation von reinen Stoffen werden die Stoffwerte des Dampfes und des Kondensates bei Kondensationstemperatur benötigt.

Sobald das Datenblatt vollständig ausgeführt wurde, wechselt das Programm zurück in die WTS-Maske. Wurden für die Rohr- und die Mantelseite „Freie Eingabe“ gewählt, werden zwei SDAT-Module angelegt.

Hinweis

In Erdgas-Vorwärmern wird das Erdgas erwärmt, um bei der anschließenden Drosselung eine Temperaturabsenkung des Erdgases unter einen vorgegebenen Grenzwert zu vermeiden.

Mit WTS kann für Erdgas in den Rohren mit dem Zusatz-Modul JTHO (Joule-Thomson) bei Vorgabe der Temperatur nach der Drossel die Temperatur vor der Drossel und somit die Austrittstemperatur des Erdgases aus dem Wärmeübertrager berechnet werden.

Wurde „Erdgas (Freie Eingabe)“ gewählt, müssen noch die Konzentrationen der Erdgas-Komponenten eingegeben werden.

Der erste Werteblock enthält die Angaben über die Mengen, Drücke und Temperaturen der beiden Medien. Die Reihenfolge der Eingabe dieser Werte ist prinzipiell beliebig.

In den meisten Fällen sind die Mengenströme und Temperaturen vorgegeben, so dass die Wärmebilanz festliegt.

Die genauen Temperaturen oder Mengen werden erst von den im Programm verwendeten Stoffwerten festgelegt d.h. die letzte nicht eingegebene Temperatur oder Menge wird zum Schließen der Wärmebilanz vom Programm berechnet.

Es ist empfehlenswert, zunächst eines der beiden Medien durch den Massenstrom und die Temperaturen festzulegen.

Da die Wärmebilanz bereits durch das erste Medium festliegt, sind die Temperaturen und der Massenstrom des zweiten Mediums nicht mehr frei wählbar. Da die Temperaturen meist die wichtigeren Zielgrößen sind, sollten sie nun vorgegeben werden. Die Bilanz wird durch den zweiten Massenstrom rechnerisch geschlossen.

Foulingwiderstände für Wasser in Rohrbündelwärmeübertragern (m²K/W)

© Springer Verlag Berlin Heidelberg 2013

© Springer Verlag Berlin Heidelberg 2013

© Springer Verlag Berlin Heidelberg 2013

Foulingwiderstände für den Wärmeübergang von Verbrennungsgasen an berippten Heizflächen in m²K/W

© Springer Verlag Berlin Heidelberg 2006

Feuchte Gase sind Gasgemische, die aus einem Inertgas und einer kondensierenden Komponente bestehen, z.B. feuchte Luft (Luft + Wasserdampf). Wird feuchte Luft abgekühlt, so kondensiert unterhalb der Tautemperatur Wasser aus. Die freiwerdende Kondensationswärme muss in der Wärmebilanz berücksichtigt werden. In WTS werden die Wärmebilanz und die Stoffdaten für die Abkühlung von feuchten Gasen mit Hilfe des HX-Modules (im Grundpaket nicht enthalten) berechnet.

>> Es wird bei der Berechnung mit WTS davon ausgegangen, dass das feuchte Gas wasserdampf­gesättigt (Relative Feuchte = 100 %) in den Wärmeübertrager eintritt.

Nach Eingabe des Massenstromes, des Druckes und der Temperatur in die WTS-Maske wechselt das Programm selbständig in das Modul HX und es erscheint das Auswahlfenster zur Festlegung des Dampfes und des Inertgases (siehe auch „Handbuch zu den Stoffwert-Modulen“, Abschnitt „Modul HX“).

In die Maske müssen Sie jetzt noch das Molekulargewicht des Dampfes, die Verdampfungsenthalpie und die Referenztemperatur für die Verdampfungsenthalpie sowie die spezifischen Wärmekapazitäten des Dampfes und der kondensierten Flüssigkeit eintragen.

Nach vollständiger Werteeingabe wechselt das Programm in die WTS-Maske zurück.

Wurden keine Standardabmessungen d.h. keine Vorgabegrößen für die rohr- und mantelseitigen Abmessungen getroffen, müssen alle Daten eingegeben werden, die zur Berechnung des Rohrspiegels notwendig sind. Dazu steht Ihnen der zweite Werteblock in der Ein- und Ausgabemaske von WTS zur Verfügung.

Der Rohrspiegel wird selbsttätig für 1, 2, 3, 4, 6 oder 8 rohrseitige und 1 oder 2 mantelseitige Durchgänge generiert.

Sind 2 mantelseitige und 4 rohrseitige Durchgänge spezifiziert, so wird vom Programm ein kreuzförmig geteilter Rohrboden mit exakt identischer Rohrzahl in allen Gängen generiert.

Wärmeübertrager werden meist auf der Basis festliegender Standardgrößen ausgelegt. Das gilt u.a. für den Manteldurchmesser, die Rohrabmessungen und die Rohrteilung, die Ausführung des rohrseitigen Kopfes und Werte, die z.B. durch die TEMA-Norm festgelegt sind.

Dazu kommen noch rohr- und mantelseitige Geschwindigkeiten. Die mantelseitige Geschwindigkeit führt mit den Grenzwerten nach TEMA zur Festlegung des Segmentblech-Abstandes. Die Vorgabe dieser Werte im Menü "Grundeingaben" / "Grunddaten“ führt zu einer Auslegung des Wärmeübertragers, die sich innerhalb eines Fertigungsstandards befindet.  Die Berechnung des Tauschers beginnt damit unmittelbar nach Festlegung der Wärmeleistung.

Standardmäßig greift WTS bei der Berechnung auf die Mäntel zurück, die in der Datenbank hinterlegt sind und in „Auswahl der Grunddaten“ ausgewählt werden können.

In die WTS-Maske kann aber auch der Mantelaußen­durchmesser und die Mantelwanddicke eingegeben werden.

Der Mantelinnendurchmesser wird berechnet. Das Feld für den Mantelinnendurchmesser ist für die Eingabe gesperrt.

Wird im Menu „Grundeingaben“ die Option „Standardwerte“ deaktiviert und anschließend die Rohrzahl eingegeben, ermittelt das Programm den Mantelinnendurchmesser für diese Rohrzahl.

In diesem Fall wird der Mantelaußendurchmesser berechnet. Das Feld für den Mantelinnendurchmesser ist für die Eingabe gesperrt.

Ergebnisse und Bewertung

Das Ende der Berechnung ist erreicht, sobald die Länge des Tauschers festliegt.  

Es wird zwischen der erforderlichen und der ausgeführten Bündellänge unterschieden. Die erforderliche Bündellänge ist die theoretische Rohrlänge, die benötigt wird, um die geforderte Leistung zu übertragen. Geben Sie nun die ausgeführte Bündellänge ein. Die ausgeführte oder tatsächliche Bündellänge ist die Rohrlänge, mit der der Wärmeübertrager gefertigt wird. Mit der ausgeführten Bündellänge wird der Wärmeübertrager nochmals neu berechnet (tatsächlicher Abstand der Umlenkbleche, tatsächliche Geschwindigkeiten etc.) und eine neue erforderliche Länge wird ermittelt. Der Unterschied zwischen der ausgeführten und der erforderlichen Bündellänge gibt die „Reserve“ der Auslegung an.

>>  Wichtig!  Die ausgeführte Bündellänge muss unbedingt eingegeben werden!

Es ist auch üblich, den Unterschied zwischen ausgeführter Größe und erforderlicher Größe durch einen „Ersatz-Verschmutzungsgrad“ auszudrücken. Dies ist allerdings etwas unanschaulich. Die „Längenreserve“ ist direkt proportional zur Fläche und bietet ein anschauliches Maß der Reserve.

Druckverluste:

Der rohrseitige und der mantelseitige Druckverlust wird erst nach Eingabe der Stutzendurchmesser am Eintritt und am Austritt und Eingabe der ausgeführten Bündellänge berechnet.

Die Berechnung lässt sich nun durch beliebige Veränderungen der entsprechenden Größen in eine gewünschte Richtung lenken. Die Qualität der Berechnung lässt sich z.B. durch eine „Parameterstudie“ feststellen, die Aufschluss über das Verhalten des Tauschers gegenüber Änderungen der zugrunde liegenden Prozessparameter gibt.

Druckverluste:

Der rohrseitige und der mantelseitige Druckverlust wird erst nach Eingabe der Stutzendurchmesser am Eintritt und am Austritt und Eingabe der ausgeführten Bündellänge berechnet.

>> Bei Kondensation im Mantelraum wird KEIN mantelseitiger Druckverlust berechnet!

Mit dem Programm WTS kann ein Kondensator mit Kondensation eines beliebigen Reinstoffes berechnet werden.

Voraussetzung für die Berechnung des Kondensationsprozesses ist, dass der Dampf mit Sattdampftemperatur d.h. nicht überhitzt in den Kondensator eintritt und das Kondensat mit der gleichen Temperatur, nicht unterkühlt wieder aus dem Kondensator austritt.

Tritt der Dampf überhitzt in den Kondensator ein und verlässt das Kondensat den Kondensator unterkühlt, muss der Kondensator in eine Enthitzungs-, Kondensations- und Unterkühlungszone unterteilt und jede Zone separat mit WTS berechnet werden. Die Gesamtfläche des Kondensators ergibt sich dann aus den Flächen für die einzelnen Zonen.

Hinweis:

Kondensatoren mit Enthitzungs-, Kondensations- und Unterkühlungszone können mit dem Programm KOND berechnet werden.

Wurde als Medium „Sattdampf“, „NH3-Kondensation“ oder CO2-Kondensation“ gewählt, wird automatisch von einer Kondensation ausgegangen und es werden für die Berechnung des Wärmeübergangs die entsprechenden Kondensationsansätze gewählt. Als Eingabe wird entweder der Kondensationsdruck (P_Satt) oder die Kondensationstemperatur (T_Satt) benötigt. Die Stoffwerte für den Dampf und das Kondensat werden vom Programm ermittelt.

In der Form „Visual WTS“ oder in der WTS-Maske müssen sowohl der Kondensationsdruck (P_Satt) als auch die Kondensationstemperatur (T_Satt) eingegeben werden. Danach wechselt das Programm in das Modul SDAT.

Geben Sie die Stoffdaten für das Kondensat (Siedende Flüssigkeit) im oberen Teil des Datenblattes und die Stoffdaten des Dampfes sowie die Verdampfungsenthalpie im unteren Teil ein.

Nach vollständiger Dateneingabe wechselt das Programm wieder in die WTS-Maske zurück.

Nähere Informationen zur Kondensation (rohrseitig und mantelseitig) in senkrechten und waagrechten Rohren sind nachfolgend zu lesen.

>> Bei Kondensation im Mantelraum wird der mantelseitige Druckverlust nicht berechnet.

Kondensation

>> von reinen Stoffen in den Programmen WTS, KOND und VERD

Die Kondensation von reinen Stoffen in den Programmen WTS, KOND und VERD wurde überarbeitet. Die neuen Berechnungsansätze aus dem VDI-Wärmeatlas 11. Auflage 2013 für die Kondensation reiner Dämpfe in und an senkrechten Rohren sowie in und an waagrechten Rohren wurden in die Programme WTS, KOND und VERD eingearbeitet. Außerdem wird jetzt für die Kondensation in senkrechten und waagrechten Rohren der Druckverlust berechnet.

>> in senkrechten und waagrechten Rohren (rohrseitige Kondensation)

Bei der Kondensation in senkrechten und waagrechten Rohren werden für die Berechnung des Wärmeübergangs und des Druckverlustes Ansätze für strömenden Dampf verwendet. Es wird neben der während der Kondensation zunehmenden Filmdicke auch die Wechselwirkung zwischen Gas- und Flüssigphase durch die an der Filmoberfläche wirkende Schubspannung berücksichtigt, die den Wärmetransport im Kondensatfilm wesentlich beeinflusst. Da die Schubspannung entlang des Kondensationsweges abnimmt, wird der Kondensator in 10 Zellen unterteilt, in denen jeweils 10% des Dampfes kondensiert. Für jede Zelle werden der mittlere Wärmeübergangskoeffizient, der Druck-verlust und die erforderliche Kondensationsfläche berechnet und im Modul Doku aufgelistet. Auf der WTS-Maske wird der gesamte Druckverlust, die erforderliche Gesamtfläche und ein über den gesamten Kondensator gemittelter Wärmeübergangskoeffizient angegeben.

>> an senkrechten Rohren (mantelseitige Kondensation)

Bei der Kondensation an senkrechten Rohren werden für die Berechnung des Wärmeübergangs Ansätze für ruhenden Dampf verwendet. Da mit zunehmender Kondensation die Filmdicke zunimmt, wodurch sich der Wärmeübergang verschlechtert, wird der Kondensator ebenfalls in 10 Zellen unterteilt, in denen jeweils 10% des Dampfes kondensiert. Für jede Zelle werden der mittlere Wärmeübergangskoeffizient und die erforderliche Kondensationsfläche berechnet und im Modul Doku aufgelistet. Auf der WTS-Maske wird die erforderliche Gesamtfläche und ein über den gesamten Kondensator gemittelter Wärmeübergangskoeffizient angegeben.

>> an waagrechten Rohren (mantelseitige Kondensation)

Bei der Kondensation an waagrechten Rohren werden für die Berechnung des Wärmeübergangs ebenfalls Ansätze für ruhenden Dampf verwendet. Eine Aufteilung des Kondensators in einzelne Zellen erfolgt nicht. Das Anwachsen des Kondensatfilms durch das Abfließen des Kondensats von den oberen auf die unteren Rohrreihen und der damit verbundenen Verschlechterung des Wärmeübergangs an den unteren Rohrreihen wird durch einen Korrekturfaktor für die Nu-Zahl im Modul J1.2 berücksichtigt.

                   Nu = Nu_Einzelrohr · nⁱ 

n = Anzahl der Rohrreihen

i = -1/6

Anmerkung aus dem VDI-Wärmeatlas

Die experimentell ermittelten Exponenten liegen bei i = -1/6 bis 0. Für die praktische Berechnung der Wärmeübergangskoeffizienten wird der Wert i = -1/6 empfohlen.

Der Wert i = 0 bedeutet keine Korrektur.

Hinweis

Durch die neuen Ansätze für die Kondensation reiner Dämpfe kann es bei der Auslegung von Kondensatoren zu Abweichungen gegenüber früheren Programm-Versionen kommen. 

Je nach Anwendungsfall kann dies zu etwas größeren oder kleineren Kondensationsflächen führen.