Instationäre Wärmeübergangsprozesse mit LV
Mit WTS können Sie klassische Rohrbündelwärmetauscher berechnen, bei denen ein im Außenraum strömendes Medium kontinuierlich abgekühlt oder aufgeheizt wird. Rohrbündel können jedoch auch verwendet werden, um den Inhalt eines Tanks im Batch Betrieb über einen größeren Zeitraum abzukühlen. Auch hierbei hilft WTS. Dafür sind drei Schritte notwendig:
- Berechnung des inneren Wärmeübergangs in WTS
- Berechnung des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten und des Wärmedurchgangs
- Berechnung der Aufheiz-/Abkühlzeit mit TIME
1. Berechnung des inneren Wärmeübergangs in WTS
Starten Sie zunächst das Modul WTS wie gewohnt. Für einen gegebenen Kühlmittelmassenstrom hilft Ihnen WTS, eine geeignete Rohranzahl zu ermitteln. Außerdem stellt Ihnen das Modul die Stoffwerte zur Verfügung und berechnet den Wärmedurchgangskoeffizienten sowie den rohrseitigen Druckverlust. Voraussetzung für diese Berechnung ist, dass sich Stoffwerte und Wärmeübergangskoeffizienten im betrachteten Bereich nur wenig ändern.
Geben Sie in der ersten Auswahlmaske Rohrdurchmesser, Teilung und Rohrmaterial, sowie die Stoffe im Rohrbündel und im Tank an und Wählen Sie ein U-Rohr-Bündel aus. Die weiteren Parameter können Sie auf ihren Ausgangswerten belassen.
In der zweiten Maske geben Sie die Start und Endtemperatur des Behältermediums sowie den Kühlmittelmassenstrom, dessen Eintrittstemperatur und eine geschätzte Austrittstemperatur vor. Das Modul WTS berechnet nun einen Rohrbündelwärmetauscher.
Im nächsten Schritt muss nun der äußere Wärmeübergangskoeffizient angepasst werden. Mit dem daraus resultierenden Wärmeübergangskoeffizienten wird abschließend die Abkühlzeit berechnet.
2. Berechnung des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten und des Wärmedurchgang
Im Gegensatz zum Rohrbündelwärmetauscher mit erzwungener Konvektion liegt in diesem Fall ein ruhendes Medium vor. Der Wärmeübergang auf der Außenseite des Rohrbündels erfolgt daher vor allem durch freie Konvektion und ist somit deutlich geringer als im Rohrbündelwärmeübertrager.
Das Programm Wärme enthält neben WTS und den hier verwendeten Modulen noch weitere Module zur Berechnung von Wärmeübergangskoeffizienten. Wählen Sie hier das Modul F2.1 für vertikale Zylinder. Diese Korrelation wurde für einzelne Zylinder entwickelt und überschätzt daher den Wärmeübergangskoeffizienten für Rohrbündel etwas. Planen Sie daher eine Sicherheit in Ihrer Berechnung ein. Informationen zum Wärmeübergangskoeffizienten in Rohrbündeln finden Sie z.B. in [1].
Zur Berechnung benötigen Sie Stoffwerte, die Sie durch ziehen des entsprechenden Stoffwertemoduls auf die Eingabemaske übertragen können. Außerdem benötigen Sie Rohrdurchmesser und –länge, sowie die Temperatur an der Rohraußenseite und des Mediums im Behälter. Nutzen Sie dafür am besten die „Variable verbinden“ Funktion, damit sich die Berechnung bei Änderungen automatisch anpasst.
Der so berechnete Wärmeübergangskoeffizient kann nun verwendet werden, um den Wärmedurchgangskoeffizienten zu berechnen. Wechseln Sie dazu zurück in das Modul WTS. Klicken Sie im Menü „Grundeingaben“ auf „Alpha um die Rohre vorgeben“. Damit wird der äußere Wärmeübergangskoeffizient freigegeben und Sie können ihn mit dem in F2.1 berechneten Wert verbinden. Mit innerem und äußerem Wärmeübergangskoeffizienten sowie Fouling wird nun der Wärmedurchgangskoeffizient ermittelt. Auf dessen Basis wird im letzten Schritt die Abkühlzeit ermittelt.
3. Berechnung der Abkühlzeit mit dem Modul TIME
Während es sich bei einem klassischen Rohrbündelwärmetauscher um einen stationären Prozess mit konstanten Temperaturen handelt, ist dieser Fall instationär. Im Laufe der Zeit nähert sich das Medium im Tank der Kühlmitteltemperatur an und der übertragene Wärmestrom sinkt. Die Zeit bis zur Abkühlung auf eine vorgegebene Temperatur lässt sich mit Hilfe der Energiebilanz analytisch berechnen. Diese Berechnung findet sich im Modul TIME.
Starten Sie das Modul TIME und wählen Sie die Option „Beheizung/Abkühlung“. In der Maske tragen Sie die Masse und Wärmekapazität von Medium und Behälter ein. Verbinden Sie anschließend den Kühlmassenstrom, dessen Wärmekapazität und Eintrittstemperatur sowie die Wärmeübertragungsfläche und Wärmedurchgangskoeffizient aus WTS. So erhalten Sie die Abkühlzeit. Alternativ können Sie auch eine Abkühlzeit vorgeben, und somit beispielsweise die benötigte Wärmeübertragerfläche berechnen, um die erforderliche Länge des Rohrbündels zu bestimmen.
Siehe auch:
Dieser Beitrag ist auch verfügbar auf:
English (Englisch)