Berechnung von Reinstoff- / Mehrstoff-Gemisch-Kondensatoren
mit / ohne Inertgase

– setzt MS Access voraus –

Bauarten

  • Rohrbündelbauweise mit glatten Rohren
  • stehend / liegend
  • Gleichstrom / Gegenstrom
  • rohrseitige / mantelseitige Kondensation
  • überhitzter Zustrom / unterkühlter Ablauf
  • Reinstoff / Mehrkomponenten-Gemische mit / ohne Inertgase

Graphische Ausgabe der Berechnungsergebnisse

  • Temperaturverlauf von Dampf, Kondensat und Kühlmittel
  • Kondensatmassenstrom
  • Druckverlauf auf der Kondensationsseite
  • Änderung des Dampfgehaltes und der Dampfgeschwindigkeit

Temperaturverlauf
Beispiel eines Temperaturverlaufes

Konstruktion

  • Berechnung konstruktionsgerechter Rohrspiegel
  • Rohrspiegelbibliothek
  • CAD Schnittstelle

Wissenschaftliche Basis

  • Lokale Beschreibung der Kondensation durch Zellenmethode.
  • Berechnung des Stoff- und Energietransportes nach VDI-Wärmeatlas 10. Auflage Kapitel Jbb für Mehrstoffgemische oder nach der “Resistance Proration”-Methode auf Basis der “Heat-Curve”.
  • Einphasige Wärmeübergänge nach VDI-Wärmeatlas
  • LV-Stoffwertgenerator PROPER mit Phasengleichgewichtsberechnung (DDB-Flash) nach Prof. Gmehling

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Programmstruktur des Moduls MESK

Das Programm arbeitet nach der Zellen-Methode, d.h. der Apparat wird inkremental so in Zellen diskretisiert, daß die lokale Beschreibung des Kondensationsvorganges hinreichend genau wird. Für jede Zelle werden die Gleichungen iterativ gelöst.

Sie beschreiben die Zusammenhänge zwischen der Kernströmung des Dampfes, den Diffusions- und Gleichgewichtsbedingungen in der Diffusionsgrenzschicht (einschließlich des Wärme- und Stoffüberganges), des Kondensatfilmes und des Wärmeüberganges an das Kühlmittel sowie die Massen- und Energiebilanz.

Teil-Ergebnisse einer Zelle (Bilanzdaten und thermische Daten) von MESK

Dampf Film Alpha
T Mpkt P V Re T Mpkt Re Gas-Film Total
406,5 0,374 9982,9 1,372 -1 309,2 3,677 -1 0,0030 93,08
406,5 0,411 9982,9 1,502 4589,9 313,8 7,664 0,6 0,0043 100,27
406,5 0,451 9982,9 1,643 5034,1 315,9 0,119 1,3 0,0061 108,47
406,5 0,494 9982,9 1,794 5513,9 317,8 0,166 2,2 0,0083 117,46
406,5 0,540 9982,9 1,959 6032,5 319,6 0,216 3,1 0,0109 127,34
406,5 0,591 9983,0 2,136 6593,0 321,4 0,270 4,2 0,0141 138,19
406,5 0,645 9983,0 2,328 7199,0 323,2 0,329 5,4 0,0178 150,12
406,5 0,704 9983,0 2,535 7854,6 325,0 0,393 6,8 0,0200 163,33
406,5 0,768 9983,1 2,760 8564,1 326,7 0,462 8,3 0,0266 177,97
406,6 0,836 9983,1 3,003 9332,4 328,4 0,536 10,0 0,0318 194,27
406,6 0,911 9983,2 3,266 10164,0 330,1 0,617 11,8 0,0352 212,21
406,6 0,992 9983,3 3,551 11062,0 331,6 0,704 13,9 0,0356 231,72
406,6 1,079 9983,3 3,858 12032,0 333,1 0,798 16,2 0,0360 253,08
406,6 1,173 9983,4 4,189 13078,0 334,5 0,899 18,7 0,0363 276,55
406,6 1,274 9983,6 4,545 14205,0 335,9 1,009 21,5 0,0367 302,39
406,6 1,383 9983,7 4,929 15417,3 337,2 1,126 24,4 0,0370 330,89
406,6 1,501 9983,8 5,341 16720,7 338,5 1,253 27,7 0,0373 362,40
406,6 1,627 9984,0 5,784 18121,1 339,7 1,389 31,3 0,0375 397,31

Das Programm MESK dient zur thermischen und hydraulischen Auslegung und / oder Simulation von Rohrbündelkondensatoren mit glatten Rohren.

Das kondensierende Medium kann entweder ein Reinstoff oder ein Mehrkomponentengemisch mit oder ohne Inertgas-Anteil sein. Neben dem Kondensationsvorgang (Basis: VDI-Wärmeatlas10. Auflage Kapitel Jbb) berücksichtigt das Programm auch die Enthitzung des Dampfes bis zur Taupunktstemperatur sowie eine eventuelle Unterkühlung des Kondensates. Bei Verwendung der “Resistance Proration”-Methode auf der Basis einer Heat-Curve ist die Berechnung auf die Kondensation beschränkt, die Enthitzung des Dampfes bzw. die Unterkühlung des Kondensates wird nicht berücksichtigt.

Die Kondensation kann sowohl in den Rohren als auch im Mantelraum erfolgen. Bei der Auslegung wird zwischen liegenden und stehenden Apparaten unterschieden, wobei bei stehenden Kondensatoren der Dampf und das ablaufende Kondensat im Gleichstrom oder im Gegenstrom geführt werden kann.

Konstruktionsgerechter Rohrspiegel

Das Programm enthält das von LV entwickelte Modul SPIE, das durch Vorgabe weniger Randbedingungen selbständig einen konstruktionsgerechten Rohrspiegel für die Berechnung generiert. Dieser Rohrspiegel kann in einer Rohrspiegelbibliothek abgespeichert und als DXF Datei an verschiedene CAD-Programme weitergegeben werden.

Kondensation

Kondensation findet statt, wenn die Temperatur der kühlenden Wand kleiner als die Taupunktstemperatur des Dampfes ist. Bei einem reinen Stoff ist hierbei die Kondensation wärmeübergangskontrolliert, d.h. der Dampfstrom vom Kern der Strömung zur Phasengrenze wird lediglich durch den Wärmewiderstand im Kondensatfilm bestimmt. Dabei ergibt sich die treibende Kraft für den Kondensationsprozess aus der Differenz zwischen der Taupunktstemperatur des Dampfes und der Wandtemperatur. Bei Gemischen stellt sich der Sachverhalt wesentlich komplexer dar. Bei Unterschreiten der Taupunktstemperatur kondensiert in einem Gemisch bevorzugt die schwerer flüchtigen Komponenten an der Kühlfläche aus. Daher hat der Dampf an der Phasengrenzfläche eine andere Zusammensetzung als im Kern der Strömung.

Es kommt zu einer Anreicherung der leichter flüchtigen Komponenten an der Phasengrenzfläche. Diese Anreicherung stellt einen zusätzlichen Stofftransportwiderstand für die zur Phasengrenzfläche diffundierenden Stoffströme dar (Diffusionsgrenzschicht) und erniedrigt die Temperatur an der Phasengrenzfläche. Die Phasengrenztemperatur bestimmt auch hier den Wärmetransport durch den Kondensatfilm und somit den ganzen Kondensationsprozess.

Einen großen Einfluß auf die Kondensationsgeschwindigkeit und somit auf die Kondensationsleistung haben Inertgase, da sie permanent während des Kondensationsprozesses den Stoffstrom der kondensierenden Dämpfe behindern und die Kondensationsleistung verringern (diffusionskontrolliert).

Bei der Berechnung der Kondensation von Dampf-gemischen müssen deshalb die zusätzlichen Widerstände für den Stoff- und Energietransport berücksichtigt werden.

Das Programm greift hierfür auf die Ansätze im Kapitel Jbb des VDI-Wärmeatlas 10. Auflage zurück, das diese Diffusionsprozesse und die lokalen Gleichgewichtsbedingungen zu einem mathematischen Verfahren zusammenfaßt und einer iterativen Lösung zugänglich macht.

Zusätzlich zu der im Kapitel beschriebenen Methode enthält das Programm MESK noch einen weiteren Lösungsansatz nach der “Resistance Proration” – Methode. Diese Methode geht davon aus, dass das Dampf-Temperatur-Profil durch die Gleichgewichtsbedingung näherungsweise dargestellt werden kann. Grundlage ist die “Heat-Curve”, mit deren Hilfe und unter Verwendung von empirischen Korrekturen der Kondensationsprozess beschrieben werden kann.

Die Berechnung des Kondensators kann nur innerhalb des in der Heat-Curve angegebenen Temperaturbereiches erfolgen, der durch die Tau- und Siedetemperatur des Dampfgemisches begrenzt ist. Eine Enthitzung des Dampfes auf Tautemperatur oder eine Unterkühlung des Kondensates wird nicht berücksichtigt.

Die “Heat-Curve” kann entweder vom Anwender eingegeben oder mit dem Stoffwertgenerator PROPER berechnet werden.

Einphasiger Wärmeübergang

Der einphasige Wärmeübergang bei der Enthitzung des Dampfes und Unterkühlung des Kondensats sowie für das Kühlmittel wird nach den Ansätzen des VDI-Wärmeatlas berechnet.

LV-Stoffwert-Generator PROPER mit DDB-Phasengleichgewichtsberechnung

Die von der Temperatur, dem Druck und der Zusammensetzung abhängigen Stoffwerte des Dampfes und des Kondensates werden während der Berechnung durch den in das Programm integrierten Stoffwertegenerator PROPER ständig neu berechnet und nachgeführt. Für die Berechnung des Phasengleichgewichtes greift PROPER auf das Phasengleichgewichtsprogramm der Dortmunder Datenbank / Prof. Gmehling (DDB) zurück.


Vergleichsrechnungen zum Mehrstoff-Gemisch-Kondensator:



siehe auch:

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