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Kategorie: > Wissenschaft > Physik / Chemie
wärmetauscher
Gast (Zimmermann Georg)
(Gast - Daten unbestätigt)

  03.08.2010

Tag zusammen
Zur Berechnung eines Wärmetauschers ist die Wärmeübertragungsleistung herran zu ziehen. Q=K*A*deltaT
welche Einheit hat Q
wie kommt man an K= Wärmeübertragungskoeffizient
Im Wärmetauscher soll ein Edelstahlrohr mit 50 mm Durchmesser und 1 mm Wandstärke verwendet werden.
Volumenströme und Temperaturen von Heiz und Kühlseite sind bekannt, es geht darum die nötige Länge des Edelstahlrohres zu ermitteln.

Danke im Vorraus
Schwammkopf



Anzahl der unterhalb stehenden Antworten: 11
Gast (Thomas Schmidberger)
(Gast - Daten unbestätigt)

  26.08.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Georg Zimmermann vom 25.08.2010!  Zum Bezugstext

Dann schau mal z.B. in den VDI-Wärmeatlas. Auch zu empfehlen aus dem Vogel Verlag die Bücher Wärmeübertragung bzw. Wärmeaustauscher.

Gruss Thomas
Gast (Georg Zimmermann)
(Gast - Daten unbestätigt)

  25.08.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Thomas vom 22.08.2010!  Zum Bezugstext

Tag Thomas
nett das Du mir bei der Auslegung helfen willst ich möchte mich bei den Volumenströmen und Tauschtemperaturen nicht festlegen, weil ich muß bestimmt noch andere Wärmetauscher machen. Drum ist es mir wichtig die passenden Formeln zu haben und diese auch richtig zu verstehen. Habe ich das erst mal richtig verstanden kann ich mir dann selber immer selber helfen

Gruß
Georg
Gast (Thomas)
(Gast - Daten unbestätigt)

  22.08.2010

so, war mal wieder zu schnell beim Schreiben. Es soll offensichtlich ein Doppelrohrwärmeübertrager werden. Wie gross ist denn das zweite Rohr, die Ein- und Austrittstemperaturen und die Volumenströme, dann kann ich dir die Auslegung machen.

Gruss Thomas
Gast (Thomas)
(Gast - Daten unbestätigt)

  22.08.2010

Hallo Georg
Was für ein Wärmetauscher soll es denn werden? Doppelrohr oder Rohrbündel oder Plattenwärmeübertrager? Für welchen Zweck und welches Medium und ganz wichtig, gibt es Angaben zu den Volumenströmen?


Gruß Thomas
Heiner Grimm
(gute Seele des Forums)

  08.08.2010

Hallo Georg,

"Wenn ich jetzt annehme das der Wärmetauscher 100 kw übertragen soll und der Prozess eine 1 Stunde Zeit hat ergibt das doch dann 100kwh ?? ..."

Stimmt genau, abgesehen davon, dass man das W dabei groß schreibt.

"... bzw wenn der Prozess in 20 Minuten abgearbeitet sein soll währen das dann 100kwh * 60/20 = 300kwh und die kann ich dann in kcal umwandeln! Soll das wirklich so einfach sein mit der Berechnung ??"

Diese Berechnung ist grottenfalsch. Die Berechnung ist zwar im Prinzip kinderleicht, aber nur, wenn man die Grundlagen dazu richtig verstanden hat. Eine kleine Orientierungshilfe gibt es weiter unten.

"Warum machen dann alle so einen Tanz darum wie schwer und aufwendig das sein soll?"

Weil's so einfach auch wieder nicht ist.

"Ist natürlich klar das man da noch die Faktoren für Ablagerungen und nicht perfekten Wärmeübergang im Wärmetauscher mit einrechnen muß etc. aber eigentlich doch ganz simpel."

Auch ohne Ablagerungen ist die Berechnung/Auslegung eines Wärmetauschers keineswegs simpel. Da man für die Austauschflächen i.d.R. gut wärmeleitfähiges Material verwendet, hängt der Wärmedurchgangskoeffizient fast nur von den Wärmeübergangskoeffizienten zu beiden Seiten der Wärmeaustauschfläche ab. Die Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten ist mit einfachen allgemeingültigen Gleichungen nicht zu stemmen, es gibt dafür diverse experimentell ermittelte Näherungsgleichungen, die jeweils für bestimmte Parameterbereiche gültig sind. Um diese Gleichungen verwenden zu können, muss man mit sog. dimensionslosen Kennzahlen (z.B. der berühmten Reynoldszahl) arbeiten. Das ist nicht unbedingt hochkompliziert, aber zumindest gewöhnungsbedürftig.

Falls Dich das Alles nicht abschrecken bzw. abhalten kann, findest Du diverse relevante Gleichungen dazu in Lehrbüchern der Verfahrenstechnik, Strömungslehre etc., in einschlägigen wissenschaftlichen Veröffentlichungen oder im VDI-Wärmeatlas.

Dann noch etwas zur Temperaturdifferenz, die für die Anwendung der (so schön einfach aussehenden) Wärmestromgleichung
Q.=k*A*Delta-T
(Q. = Delta-Q/Delta-t = Wärmestrom, k = Wärmedurchgangskoeffizient, Delta-T = Temperaturdifferenz)
benötigt wird.

Im einfachsten Fall gibt es am WT 4 Temperaturen (Substrat Sub und Kühlmittel KM, jeweils Zu- und Abfluss): T(Sub,Zu), T(Sub,Ab), T(KM,Zu) und T(KM,Ab). Daraus kann man durch einfache Subtraktion 6 verschiedene Temperaturdifferenzen bilden. Welche davon ist die richtige? (Für Spielernaturen: Antwort auf ein Blatt Papier notieren, dann erst weiterlesen.)

Antwort: In aller Regel ist keine der 6 Delta-T die richtige. Lediglich in Gegenstrom-Wärmeaustauschern, bei denen die Ströme von Substrat und Kühlmittel so bemessen sind, dass ihre Wärmekapazitätsströme gleich sind, ist T(Sub)-T(KM) über dem gesamten Wärmeaustauscher konstant, damit ist T(Sub,Zu)-T(KM,Ab) = T(Sub,Ab)-T(KM,Zu) = Delta-T. Ansonsten muss aus den 4 (hoffentlich) bekannten Temperaturen T(Sub,Zu), T(Sub,Ab), T(KM,Zu) und T(KM,Ab) die sog. logarithmische Temperaturdifferenz berechnet und in die o.a. Wärmestromgleichung eingesetzt werden.

Näheres dazu s. Lehrbücher, möglicherweise wird man auch im Internet fündig.

Häufig findet man im Zusammenhang mit den Maßeinheiten rund um das Watt gar gruselige Darstellungen, wie z.B. das fußnagelaufrollende "kW/h".
Offenbar kann kaum ein Laie mit diesen Einheiten richtig umgehen, vielleicht einfach deshalb, weil es für diese Maßeinheit keine Entsprechung im täglichen Leben gibt. Deshalb hier ein Erklärungsversuch:

Wasser und Energie haben zumindest Eines gemeinsam: Man kann ihre Menge messen und angeben. Die Maßeinheit für die Wassermenge (genauer gesagt -masse) ist hierzulande üblicherweise das kg, für die Energiemenge das J (Joule) (oder auch kJ = 1000 J).

Bei einem konstanten Wasserstrom (z.B. unter einem Wasserhahn) fließt pro Zeiteinheit eine bestimmte Wassermenge (z.B. in ein Gefäß hinein). Den Wasserstrom würde man üblicherweise in kg/s, kg/min oder kg/h angeben. Eine eigene Maßeinheit hat der Wasserstrom nicht.

Einen Energiestrom (z.B. elektrische Energie, die stetig aus einer Steckdose in ein Gerät fließt, oder Wärmeenergie, die aus einem beheizten Gebäude stetig durch die Wände ins kühle Freie fließt) kann man adäquat zu einem Wasserstrom in kJ/s, kJ/min oder kJ/h (natürlich auch in kJ/Tag usw.) angeben. Für den Energiestrom gibt es, im Gegensatz zum Wasserstrom, einen eigenen Ausdruck, nämlich "Leistung", und eine eigene Einheit, das Watt. 1 W = 1 J/s, bzw. 1 kW = 1 kJ/s. Im Sinne der Allgemeinbildung war die Einführung der Einheit Watt vermutlich ein Bärendienst.

Würde nämlich heute z.B. auf einem Wasserkocher stehen: "Elektrische Leistung: 1.500 J/s", dann könnten vermutlich die Meisten daraus unmittelbar erkennen, dass dieser Wasserkocher im Betrieb in 1 Sekunde 1.500 J (= 1,5 kJ) elektrische Energie "verbraucht" (hier: in Wärmeenergie umgewandelt), in 10 Sekunden logischerweise 15 kJ, und in 1 Stunde 5400 kJ. Ebenso, wie aus einem Wasserhahn, bei einem Wasserstrom von 1,5 kg/s, in 1 Stunde 5400 kg Wasser herausfließen würden (zugegeben, so groß dimensionierte Wasserhähne hat nicht jeder). Mit kW und kWh dagegen kommen anscheinend Viele nicht zurecht.

Wenn mittels Division durch eine Zeiteinheit aus einer Energieeinheit eine Leistungseinheit wird, dann kann man umgekehrt durch Multiplikation mit einer Zeiteinheit aus einer Leistungseinheit wieder eine Energieeinheit machen. Aus der Leistungseinheit kW wird so durch Multiplikation mit 1 h die Energie(mengen)einheit kWh.

1 kWh = 1 kW * 1 h = 1 kJ / 1 s * 1 h = 1 kJ / 1 s * 3600 s = 3600 kJ.

Damit ist dann wohl auch klar, was hier: "... wenn der Prozess in 20 Minuten abgearbeitet sein soll währen das dann 100kwh * 60/20 = 300kwh ..." schiefgelaufen ist. Für einen "Prozess" (z.B. das Aufheizen einer bestimmten Menge einer Flüssigkeit) wird in der Regel eine gewisse Energie*menge* benötigt, hier z.B. 100 kWh. Ob dieser Prozess 10 Minuten, 20 Minuten oder 60 Minuten dauern soll, ist dabei egal (auch in der Praxis zumindest ungefähr), es werden in jedem Fall 100 kWh benötigt. Nur die benötigte Leistung ist unterschiedlich: Bei 60 Min. (= 1 h) Dauer sind es 100 kWh / 1 h = 100 kW, bei 20 Min. Dauer sind es 100 kWh / 20 Min. = 100 kWh / (1/3 h) = 300 kW.

Zur häufig gefundenen fälschlichen Angabe kW/h (anstelle von kWh): kW/h ist keine Energiemengeneinheit, sondern die Einheit einer Leistungsbeschleunigung. Wenn z.B. der Ferrarifahranfänger zunehmend mutiger wird, und langsam das Gaspedal immer weiter durchtritt, dann könnte die Motorleistung z.B. um 10:00 Uhr bei 120 kW liegen, um 10:30 schon bei 160 kW, um 11:00 Uhr bei 200 kW, und schließlich um 11:30 Uhr bei 240 kW. Das Ganze wäre dann eine Leistungsbeschleunigung von 80 kW/h im Mittel.

Wer unbedingt mit den alten kcal rechnen möchte, kann dies natürlich in entsprechender Weise tun. Da 1 kcal = 4,186 kJ, ist 1 kcal/s = 4,186 kJ/s = 4,186 kW. Und 1 kcal/h = 1 kcal/3600 s = 1/3600 kcal/s = 4,186/3600 kJ/s = 0,001863 kW. Da es hierzu keine eigene Leistungseinheit gibt (z.B. 1 kHu ("Kilohunger") für 1 kcal/s), kommt man dabei wenigstens nicht mit kHuh (Kilohungerstunden) u.Dgl. in Konflikt.

Beste Grüße
Heiner
Gast (Georg Zimmermann)
(Gast - Daten unbestätigt)

  05.08.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von tröpfchen vom 05.08.2010!  Zum Bezugstext

Hallo Tröpfchen
Die Umrechnung 1kcal in 0,001164kwh habe ich auch  gesehen.
Meine Frage dazu ist:
Wenn ich jetzt annehme das der Wärmetauscher 100 kw übertragen soll und der Prozess eine 1 Stunde Zeit hat  ergibt das doch dann 100kwh ?? bzw wenn der Prozess in 20 Minuten abgearbeitet sein soll währen das dann
100kwh * 60/20 = 300kwh und die kann ich dann in kcal umwandeln! bin ich soweit richtig ???
Soll das wirklich so einfach sein mit der Berechnung ??
Warum machen dann alle so einen Tanz darum wie schwer und aufwendig das sein soll?
Ist natürlich klar das man da noch die Faktoren für Ablagerungen und nicht perfekten Wärmeübergang im Wärmetauscher mit einrechnen muß etc. aber eigentlich doch ganz simpel.

Gruß und Danke für Deine unterstützung
Schwammkopf
Gast (tröpfchen)
(Gast - Daten unbestätigt)

  05.08.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Georg Zimmermann vom 04.08.2010!  Zum Bezugstext

Hallo Georg,

wenn du bei Tante Google nachsiehst, findest du beispielsweise dieses:

1 kcal ("Kilokalorie") = 4190 J = 0,001164 kWh

Ist es das???

Gruß aus der Pfalz
Tröpfchen
Gast (Georg Zimmermann)
(Gast - Daten unbestätigt)

  04.08.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Claus vom 04.08.2010!  Zum Bezugstext

Sowas habe ich mir gedacht weil ich bei der umrechnung nicht weiter komme.
komme ich da vieleicht weiter wenn ich in betracht ziehe das der ganze Prozess Zeitvorgabe hat dann müßte es doch möglich sein anstatt mit kw mit kw/h zu rechnen. Oder bin ich da jetzt wieder auf dem Holzweg wenn nicht wie rechne ich das dann ein ?

Gruß
Schwammkopf
Gast (Claus)
(Gast - Daten unbestätigt)

  04.08.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Georg Zimmermann vom 04.08.2010!  Zum Bezugstext

Kcal können überhaupt nicht in Kw umgerechnet werden!
(Das eine ist eine Arbeitseinheit, das andere eine Leistungseinheit) O tempora, o mores!
Gruß
Claus
Gast (Georg Zimmermann)
(Gast - Daten unbestätigt)

  04.08.2010
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von tröpfchen vom 04.08.2010!  Zum Bezugstext

An Tröpfchen
Danke erstmal war garnicht so schlecht was Du da geschrieben hast bin ich schonmal ein Stück mit weiter,
weil ich jetzt weiß das Wärmeübergangskoeffizient =
Wärmedurchgangszahl ist. Für das verwendete Edelstahlrohr habe ich mir den gegoogelt wird angegeben mit 279 m zum Quadrat geteilt durch K
delta T ist die mittlere Temperaturdifferens von den beiden Kreisläufen und somit recht einfach herzuleiten.
A ist die zur verfügung stehende Tauschfläche des Rohres Durchmesser ist bekannt nach der Länge muß ich später die Formel auflösen weil diese gesucht wird.
Jetzt habe ich nur noch das Problem von Q noch nicht ganz gelöst Du sagst Q kommt in kcal daher ich habe aber nur ein kW Angabe und jetzt muß ich umrechnen was ich noch nie gut konnte also meine Frage wie rechne ich kcal in kW um. Vieleicht kannst Du mir da noch ein bischen weiter helfen.

Gruß
der nicht mehr ganz so dumme
Schwammkopf
Gast (tröpfchen)
(Gast - Daten unbestätigt)

  04.08.2010

Guten Morgen Georg,

als man mir den Wärmetausch näher gebracht hat, rechnete man noch mit Kalorien (war ja seinerzeit auch einfach zu merken mit der Erwärmung von Wasser um 1 C ...), das heißt Q hatte die Einheit cal bzw. kcal.

Der "Wärmeübertragungskoeffizient" k hieß bei uns seinerzeit Wärmedurchgangszahl mit der Einheit kcal/m*h*Grad. Die Berechnung dürfte aber heute noch die gleiche sein. Sie berücksichtigt den Wärmeantransport in Medium 1 an die Wand (Alpha 1), den Wärmedurchgang durch die Wand (Wandstärke s/Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes Lambda) und den Wärmeabtransport in Medium 2 von der Wand (Alpha 2) und wurde mit folgender Formel beschrieben: 1/k = 1/Alpha 1 + s/Lambda + 1/Alpha 2. s und Lambda sind ja einfach zu ermitteln bzw. nachzusehen. Die Alphawerte sind aber nicht nur medien- sondern auch strömungsabhängig und liegen beispielsweise für strömendes Wasser in Rohren bei 2.000 - 4.000 kcal/m*h*Grad. Und um dazu genauere Werte zu erhalten, bedarf es weiterer Berechnungen, von denen mir auf die Schnelle nur die einige Grundbegriffe wie Nusseltzahl, Prandelzahl einfallen (ist ja auch schon ein paar Tage her).

Vielleicht hilft dir meine Erklärung weiter, auch wenn sie nicht ganz vollständig und einheitenmäßig nicht "up to date" ist.

Gruß aus der Pfalz
Tröpfchen    



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