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Kategorie: > Wissenschaft > Physik / Chemie
Festlegeung Betriebspunkt Wärmetauscher
Gast (Johannes Graf)
(Gast - Daten unbestätigt)

  10.03.2011

Hallo liebe Forenmitglieder,

kennt sich jemand von euch mit Wärmetauschern aus oder hat sogar schon Praxiserfahrung?
Ich habe folgendes Problem: Es handelt sich um einen vorhandenen Wärmetauscher mit bekannten Daten zu einem(!) Betriebspunkt (also Ein- und Austrittstemperaturen, Massenströme, Wärmekapazitäten, k-Wert, etc.).
Wenn jetzt derselbe Wärmetauscher mit anderen Massenströmen (sowohl in Menge als auch in der Zusammensetzung) gefahren wird, ändert sich dann der k-Wert bedeutend oder kann selbiger der Einfachheit halber als konstant angesehen werden?

Ich weiß zwar, dass sich der k-Wert ändert, aber es geht um praxisnahe Berechnungen und der VDI-Wärmeatlas ist in einem Berechnungsbeispiel auch von einem konstanten Wert ausgegangen.

Was sagt ihr dazu?


Danke schon mal im Voraus fürs Lesen

Grüße
Georg



Anzahl der unterhalb stehenden Antworten: 10
Johannes Graf
(Mailadresse bestätigt)

  18.05.2011

Hallo an alle!


Die letzten Wochen standen im Zeichen von vielen Berechnungen und Interviews. Fazit daraus für mein Problem ist, dass man belastbare Aussagen über die Betriebspunkte eines WÜ letztlich nur auf einer Messdatengrundlage machen kann (zumindest wird dieser Anspruch in einer Diplomarbeit gestellt).
Die Firma in der ich arbeite, hat leider kaum Messdaten und Hersteller geben selbige aus verständlichen Gründen nicht raus.
Weiß jemand aus dem Stehgreif, wo man Messdaten (z.B. aus alten Laborprotokollen oder Diplomarbeiten) herbekommen kann? Selbstverständlich gegen Aufwandsentschädigung oder Angebot einer Kooperation!
Schon mal danke im Voraus!

Beste Grüße aus Berlin
Georg
Johannes Graf
(Mailadresse bestätigt)

  06.05.2011
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Heiner Grimm vom 29.04.2011!  Zum Bezugstext

Lieber Heiner,


Hier ein Update meiner Überlegungen:

Das mit dem annähernd konstanten k-Wert ist weiterhin das Thema des Tages. Neben der mittleren log T-Differenz gibt es noch die Möglichkeit, über die Betriebscharakteristik (hier: einfacher Gegenstrom) zu rechnen in folgender Reihenfolge:
1) Massenströme (konst.!) und Wärmekapazität = Wärmekapazitätsstrom
2) Dimensionslose Temp.-Erhöhung (bei BAEHR, STEPHAN "Epsilon")
3) Aus Epsilon Berechnung NTU (Formel für Gegenstrom aus BAEHR STEPHAN)
4) Aus NTU und Wärmekapazitätsstrom = kA
5) Aus A (Fläche) und kA = k-Wert

Demnach ändert sich der kA-Wert immer, wenn man in meinem Excel-Tool bei obiger Methode neue Temp. oder Massenströme eingibt. Ich denke, dass das quasi "Wunschwerte" sind, die man dem Wärmetauscher unterstellt, wenn man eine bestimmte T-Differenz errreichen will. DIE FRAGE IST NUR, OB DAS DER WÄRMETAUSCHER IN WIRKLICHKEIT SCHAFFT!

Da ist dein Tipp, ihn einfach konstant nach Auslegungsdaten zu lassen, sehr richtig. Aber wie begründet man das?
Hier gilt es weiter zurecherchieren!

Schönes Wochenende!
Gruß
Georg
Johannes Graf
(Mailadresse bestätigt)

  03.05.2011
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Heiner Grimm vom 29.04.2011!  Zum Bezugstext

Lieber Heiner,


ja, da sprichst du den Kern an. Ich habe mich mittlerweile schon um Gasthörerschaften in Unis und FHs beworben, um einen Wärmetauscher auch experimentell untersuchen zu können. Dass trotz komplizierter Gleichungen die Realität ganz anders aussehen kann, ist die "Achillesferse" der ganzen Betrachtung. Da ich mich mittlerweile für die Betrachtung eines Plattenwärmetauschers entschieden habe, werde ich hier trotzdem mit den Formeln aus dem Wärmeatlas mal Berechnungen anstellen. Was dabei als Ergebnis rauskommt, kann dann ja kundtun!

Viele Grüße aus Berlin
Georg
Johannes Graf
(Mailadresse bestätigt)

  03.05.2011
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von tröpfchen vom 29.04.2011!  Zum Bezugstext

Hallo Tröpfchen,


besten Dank für dein Feedback. Auf eine detaillierte Simulation der beiden alpha-Werte wird es wohl hinauslaufen, mittlerweile bin ich auch schon mit dem Wärmeatlas, wo das drin steht, auf besserem Fuß, da wird man vom Umfang am Anfang ziemlich erschlagen.


Gruß
Georg  
Heiner Grimm
(gute Seele des Forums)

  29.04.2011
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Johannes Graf vom 28.04.2011!  Zum Bezugstext

Lieber Georg,

ich bin auch nicht gerade der Wärmetauscher-Papst, aber ein paar Grundregeln zur Abschätzung der Reaktion auf Betriebspunktänderungen ergeben sich aus der Wirkungsweise. Es kommt darauf an, welche(r) Parameter geändert wird(werden).

Ändern sich lediglich die Eingangstemperaturen, dann ist es am überschaubarsten:
Aus der mittl. logarithmischen Temp.differenz und der übertragenen Wärmeleistung kann der absolute k-Wert berechnet werden.

k(abs.) = Q. / DeltaT(log.)

Dieser ist bei unveränderten Durchsätzen annähernd konstant, so dass aus dem k-Wert und der neuen log. T-Diff. die neue Wärmeübertragungsleistung berechnet werden kann (da die neue log. TD aber erstmal noch nicht bekannt ist, auf Umwegen, z.B. durch Iteration).

Da Du ja schon bei der Diplomarbeit bist, nehme ich an, dass Du keine weiteren Details zu den Rechengängen benötigst. Andernfalls bitte nochmal nachhaken.

Bei Änderung der Durchsätze wird es komplizierter. Bei Durchsatzerhöhung liegt man auf der sicheren Seite, wenn man wieder k als konstant annimmt (was umso mehr "stimmt", je höher die Strömungsgeschwindigkeit und je geringer die Durchsatzänderung ist). Das Rechenergebnis ist dann allerdings stets mehr oder weniger schlechter als das tatsächlich zu erwartende. Für eine genauere Berechnung muss man auf Näherungsgleichungen aus der Strömungslehre zurückgreifen. Ich habe aber schon oft erlebt, dass die Ergebnisse solcher Gleichungen bereits in einfachsten Fällen (z.B. Druckverlustberechnung für ein luftdurchströmtes Rohr) weit neben den gemessenen Werten lagen, und traue solchen Gleichungen daher nicht so ohne Weiteres.

Wenn die TU-B-Leute sagen, solch eine Berechnung sei nur begrenzt möglich, dann möglicherweise unter dem Eindruck ähnlicher Erfahrungen.

Viele Grüße
Heiner
Gast (tröpfchen)
(Gast - Daten unbestätigt)

  29.04.2011

Hallo Georg,

die in einem Wärmeaustauscher übertragene Wärmemenge Q berechet sich nach Q = k * t * A * delta T, wobei k der Wärmedurchgangskoeffizient, t die Zeit, A die Übertragungsfläche und delta T die Temperaturdifferenz ist. Nun ist k abhängig in Medium 1 vom Wärmeantransport a1 (= alpha 1) an die (Rohr)Wand, dem Wärmedurchgang durch diese Wand und in Medium 2 vom Wärmeabtransport a2 (= alpha 2).
Während der Wärmedurchgang durch die Wand bei bekannter Wanddicke d und der Wärmeleitfähigkeit L (= Lambda) des Werkstoffes für einen bestehenden Apparat konstant ist, sind die alpha-Werte abhängig von der Art der Medien und deren Strömungsgeschwindigkeiten. Prinzipiell gilt: 1/k = 1/a1 + d/L + 1/a2.

Um die Einflüsse sich ändernder Medien und Strömungsverhältnisse zu erfassen, gibt es recht komplizierte Näherungsrechnungen mit den unterschiedlichsten "Kennzahlen" wie Nusselt-Zahl Nu, Prandtl-Zahl Pr und Reynolds-Zahl Re. Wie diese jeweils zu verwenden sind, ist mir nicht mehr geläufig. Möglicherweise hilft wikipedia weiter oder der Kontakt zu einem Hersteller von Wärmeaustauschern.

Grüße aus der Pfalz
Tröpfchen  

Johannes Graf
(Mailadresse bestätigt)

  28.04.2011
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Heiner Grimm vom 24.03.2011!  Zum Bezugstext

Lieber Heiner,


ich hatte den letzten Monat noch andere Sachen von meiner Arbeit auf dem Schirm, deswegen habe ich deinen Eintrag hier leider erst so spät entdeckt. Nichtsdestotrotz erstmal vielen Dank dafür, das Thema ist für mich immer noch brandaktuell (Diplomarbeit)! Das was du sagtest über das Verhalten des k-Wertes konnte ich inzwischen in Literatur wie dem VDI-Atlas oder die Bücher von BAEHR, STEPHAN auch finden.
Mittlerweile haben sich meine Nachforschungen auf die Frage konzentriert, inwiefern man nur auf dem Papier (also ohne experimentelle Untermauerung) von dem ausgelegten Betriebspunkt eines WÜ auf einen neuen interpolieren kann. Das wäre zum Beipsiel nötig, wenn sich Eingangstemperaturen oder Massenströme ändern. Bei Anfragen bei Herstellern und an der TU Berlin wurde mir schon kurz gesagt, dass sei nur in sehr begrenztem Umfang möglich. Was die Grenzen dieses Umfangs sind, muss ich jetzt rausfinde. Wenn du, oder ein anderer Leser dieses Beitrags, dazu eine Idee haben, bitte gerne schreiben. Gerne teile ich hier auch interessierten Lesern die Fortschritte meiner Nachforschungen mit.

Viele Grüße
Georg
Heiner Grimm
(gute Seele des Forums)

  24.03.2011

Hallo Georg, hallo H2CO3,

muss etwas korrigieren: Der k-Wert ist dann praktisch konstant, wenn der Wärmewiderstand vor Allem durch das Wandmaterial verursacht wird, also bei gut wärmeisolierten Wänden. Wärmetauscher dagegen sind normalerweise aus sehr gut wärmeleitenden Materialien aufgebaut (zumindest die Austauscherflächen), so dass der Wärmewiderstand zu einem erheblichen Teil von den Wärmeübergängen Medium1 / Zwischenwand / Medium2 bestimmt wird. Da diese mit der Strömungsgeschwindigkeit ansteigen, steigt mit dieser auch der k-Wert.

Wärmetauscher werden meist für einen bestimmten Betriebspunkt ausgelegt, für den ein bestimmter k-Wert angegeben werden kann. Wird nun aber z.B. die Strömungsgeschwindigkeit eines der Medien (oder beider Medien) erheblich verringert, dann wird der k-Wert kleiner, d.h. der Wärmeaustausch schlechter. Das darf er allerdings auch (wenn beide Medienströme gedrosselt werden), da dann die zu übertragende Wärmeleistung mit sinkendem Mediendurchsatz i.d.R. deutlich schneller abnimmt als der k-Wert.

Wenn man umgekehrt immer mehr Fluid "hindurchjagt", dann steigt proportional dazu die zu übertragende Wärmemenge, der k-Wert steigt jedoch deutlich weniger stark, und mit immer mehr Durchsatzsteigerung auch immer langsamer, so dass das gewünschte Ergebnis (Aufheizen oder Kühlen auf eine bestimmte Temperatur) nicht mehr erreicht werden kann. Das Ergebnis wird aber immer noch besser angenähert als es bei einem konstanten k-Wert der Fall wäre.

Viele Grüße
Heiner
Johannes Graf
(Mailadresse bestätigt)

  23.03.2011
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von H2CO3 vom 16.03.2011!  Zum Bezugstext

Hallo H2CO3,


sorry für die später Antwort, ich war letzte Woche komplett krank. Besten Dank auf jeden Fall!

Gruß
Georg
Gast (H2CO3)
(Gast - Daten unbestätigt)

  16.03.2011

Der k-Wert ist der Wärmedurchgangskoeffizient, welcher das Maß des Wärmestromdurchgang durch eine gewisse Materialschicht darstellt. Er gibt die Leistung an, die durch die Fläche von 1 m fließt, wenn sich die beidseitig anstehenden Temperaturen um 1 K unterscheiden. Daraus folgt die Einheit= W/(m*K). Im Wesentlichen ist es der spezifische Kennwert eines Wärmetauscher und wird durch die Wärmeleitfähigkeit, der Dicke des Materials, sowie der Konvektion und Wärmestrahlung der Oberfläche bestimmt. Im Grunde genommen heißt dies in Deinem Fall, dass sich der k-Wert des Wärmetauschers nicht ändert, sofern derselbe Wärmetauscher verwendet wird.

Gruß
H2CO3



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