Auslegung eines Wärmetauschers

Zu Beginn der Auslegung eines Wärmetauschers sind zunächst einige thermische Phänomene zu beachten:

• Die Zwangskonvektion eins jeden der beiden Fluide. Unter Konvektion versteht man den Wärmeübergang zwischen einer Oberfläche und einem sich bewegenden Fluid, wobei beide eine unterschiedliche Temperatur aufweisen. Im Fall eines Wärmetauschers ist von Zwangskonvektion die Rede, da sie durch die künstliche Zirkulation des Mediums hervorgerufen wird (Pumpen, Turbinen, Ventilatoren)
• Die Wärmeleitung. Dies ist der Wärmeübergang durch Wände; also beim Wärmetauscher durch Platten oder Rohrwände hindurch. Dieses Phänomen ist statisch, also unabhängig von der Bewegung der Medien.
• Die Wärmestrahlung, welche wir hier vernachlässigen können.

HINWEIS
Zum Zwecke der Klarheit und Transparenz haben wir die Informationen und Rechenmodelle so vereinfacht wie möglich dargestellt und auf die einfachsten Fälle beschränkt. Tatsächlich ist die tägliche Auslegung der Wärmetauscher durch unsere Spezialisten zum Teil deutlich komplexer.&nbsp

Die Auslegung eines Wärmetauschers verläuft im Wesentlichen in 3 Schritten.

Die Wahl der geeigneten Technologie hängt ab von:

• Thermisches Programm (angestrebte Temperaturen, Rahmenbedingungen, Rückgewinnungsrate,…)
• Art der Fluide
• Anwendung des Kunden
• Örtlichkeit (verfügbarer Platz…)Die Beachtung dieser Punkte erlaubt es, den geeigneten Apparatetyp auszuwählen (gedichteter Plattenapparat, verschweißter Platular®, Röhrenwärmetauscher…) sowie den passenden Werkstoff. Es kann sogar vorkommen, dass die Vorgabe eines bestimmten Werkstoffes die Apparateauswahl bestimmt. So ist bei Meerwasser Titan notwendig; Platular® Apparate aber können nicht in Titan gefertigt werden.

2.a. Überprüfung des thermischen Programms

Sobald die geeignete Technologie gewählt ist, gilt es den Wärmetauscher zu dimensionieren. Somit sind Leistung, Austauschfläche und Geometrie zu ermitteln.
Als Erstes ist hier das thermische Programm zu komplettieren bzw. zu überprüfen. Dies geschieht anhand der folgenden Formeln:

Anhand der Formeln und der Kundenwünsche können wir die übrigen Parameter ermitteln. Wir erhalten:

also Taus=73°C
Gesamtleistung : 650000 Kcal/h bzw. 756 KW

2.b. Berechnung der notwendigen Austauschfläche

Zunächst ist die logarithmische Temperaturdifferenz zu ermitteln. Sie wird in der Formel mit der Abkürzung DTLM dargestellt.

Es handelt sich dabei um das logarithmische Mittel der Temperaturannäherungen an den beiden Extremitäten des Wärmetauschers.

Mit der ermittelten ∆TLM und der bekannten Gesamtleistung des Wärmetauschers kann der Apparat dank folgender Formel ausgelegt:

K : Austauschkoeffizient in KW/(°C.m2). Er ist abhängig vom Apparatetyp und wird durch den Hersteller ermittelt.
S : Wärmeaustauschfläche in m2

Somit verbleiben noch 2 Unbekannte: K und S. Um die Austauschfläche zu kennen, muss also noch K ermittelt werden.

2.c. Ermittlung von K unter Berücksichtigung der Verschmutzung

Der Austauschkoeffizient eines Wärmetauschers wird durch die folgende Formel beschrieben.
h1 und h2 : die lokalen Koeffizienten der warmen und der kalten Seite. Sie werden ermittelt durch Korrelationen und dimensionslosen Kennzahlen wie Reynolds (Re), Prandlt (Pr) und Nusselt (Nu).

Die Ermittlung von K erlaubt es die notwendige Wärmeaustauschfläche zu errechnen und den Apparat auszulegen.

Ein Fluid in Bewegung verliert Energie durch die Reibung an den Wänden (regelmäßiger Druckverlust) sowie durch Störungen im Fließkanal (singulärer Druckverlust), wie beispielsweise an Umlenkungen. Diesen Energieverlust, ausgedrückt durch einen Druckverlust (△P), gilt es auszugleichen; um so dem Fluid zu ermöglichen, sich weiter fortzubewegen – also weiter zu fließen.

Sobald einmal der Wärmetauscher ausgelegt ist, gilt es, die Druckverluste im Apparat zu ermitteln. Hierzu ist auf Korrelationen zurückzugreifen, die in Abhängigkeit der Oberflächenbeschaffenheit der Wände der Austauschkammern bestimmt werden.

Die Arbeitsschritte 2 und 3 sind somit iterativ zu wiederholen, wie auf dem hier abgebildeten Schema dargestellt.

DER ERTRAG EINES WÄRMETAUSCHERS

Ertrag und Wirkungsgrad eines Wärmetauschers sind nicht zu verwechseln. Tatsächlich ist bei der Annahme, dass keinerlei Verlust vorliegt, der Wirkungsgrad eines Wärmetauschers gleich 1.

Der Ertrag eines Wärmetauschers wird mit folgender Formel beschrieben:

Ein Ertrag von 1 ist also rein theoretisch und praktisch nicht erreichbar. Die tatsächliche Leistung wird bestimmt von den Anforderungen des Kunden und wird zumeist durch diesen bei der Anfrage bereits vorgegeben.