Handbuch zum Modulpaket AC. Lauterbach Verfahrenstechnik 1 / 2002

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1 Handbuch zum Modulpaket AC AC Lauterbach Verfahrenstechnik 1 / 2002

2 Inhalt Einführung 1 Allgemeine Produktbeschreibung...1 Geometrie...1 Wärmeübergang...2 Druckverlust...2 Stoffwerte...2 Aufbau und Bedienung 3 Aufbau des Programms...3 Die Module von AC...3 Genereller Ablauf der Berechnung...4 Bedienung des Programms...5 Start von AC...5 Das Menü "Spezial"...6 Thermische und hydraulische Berechnungen...10 Anwendungspeispiele...14 Begriffe...15 Beispiele 16 Beispiel Schritt: Stoff- und Geometriebestimmung Schritt: Spezifikation des Rohrregisters Schritt: Festlegen der Bilanzgrößen Schritt: Beurteilung...18 Beispiel Schritt: Stoff- und Geometriebestimmung Schritt: Spezifikation des Rohrregisters Schritt: Festlegen der Bilanzgrößen Schritt: Beurteilung Schritt: Abschätzung der erreichbaren Austrittstemperaturen Schritt: Simulation des Wärmeübertragers...23 Weitere Hinweise 25 Information für AC-Updates...25 Index 27 Handbuch zum Modulpaket AC Inhalt i

3 Einführung Allgemeine Produktbeschreibung Geometrie Das Programm AC dient zur thermischen und hydraulischen Berechnung von Kreuzstrom- Wärmeübertragern mit glatten oder berippten Rohren. Hinsichtlich der eingesetzten Medien gibt es keine Beschränkungen. Ein aufwendiges thermodynamisches Modell ermöglicht die Berechnung von Kondensationsvorgängen (total und Partiell) sowohl um die Rohre als auch in den Rohren. Einschränkungen gibt es für Kondensationsvorgänge am Rippenrohr, da bei Rippenrohren der Einfluß der Benetzung auf den Wärmeübergang für größere Kondensatmenge zu höheren Unsicherheiten führt. Verdampfungsvorgänge reiner Stoffe in den Rohren können ebenfalls berechnet werden. Beispielsweise lassen sich folgende Wärmeübertrager berechnen: 1. Erhitzer für Luft oder Gas etwa mit Sattdampf 2. Kühlung von Luft oder Gas mit Sole, Wasser, Kühlgas oder Luft 3. Kühlen von beliebigen Medien mit Luft oder Gas 4. Kühlen von beliebigen Medien mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit 5. Beheizen oder Kühlen eines Bades ohne Rührer Für die Wärmeübertrager wird ein mehrgängiges Bündel mit wählbarer Rohrteilung und Anordnung unterstellt. Auf der Rohraussenseite können Glattrippen, Kreisrippen, Spiralrippen mit Faltenbildung, Rechteckrippen oder Lamellen-Rohrbündel vereinbart werden. Auf der Rohrinnenseite hat der Benutzer die Wahl zwischen glatten Rohren, innenberippten Rohren(*), Drallrohren(*) oder Rohren mit innenliegendem Spiralband(*). Ovalrohre mit Rechteckrippen(*) können ebenfalls spezifiziert werden. AC berücksichtigt die Mehrgängigkeit über das Bündel und den Einbau des Bündels in einem runden Mantel(*). (*) Zusatzmodule, die gesondert bestellt werden können Handbuch zum Modulpaket AC Einführung 1

4 Wärmeübergang Die Berechnung der einphasigen Fälle basiert auf den theoretischen Grundlagen des VDI-Wärmeatlas. Der Wärmeübergang mit Kondensation von Wasser aus der Luft wird nach den Veröffentlichungen von MARTIN [1] berechnet. Dabei wird die Nu-Zahl auf Grund der reinen Gasströmung ohne Kondensation berechnet und später über die Wärmebilanz der erhöhten Übertragerleistung angepaßt. Dieses Vorgehen ist richtig, sofern die Kondensatmenge nicht zu groß wird und sich zwischen den Rippen ansammelt und so zur Verschlechterung des Wärmeübergangs führt. In diesen Fällen bekommt der Anwender die Meldung: "Übertrager ist thermodynamisch kritisch". Die Berechnung von Verdampfungsvorgängen reiner Stoffe erfolgt nach dem VDI-Wärmeatlas. [1] Martin, Wärmeübertrager, Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1988 Zusätzlich benötigte Berechnungsansätze wurden der einschlägigen Literatur entnommen. Druckverlust Die Berechnung der Druckverluste in bzw. um die Rohre basiert auf den theoretischen Grundlagen des VDI-Wärmeatlas. Zusätzlich benötigte Berechnungsansätze wurden der einschlägigen Literatur entnommen. Stoffwerte Das Programm verfügt über verschiedene Medien, für die Stoffwerte automatisch ermittelt werden können. Dazu gehören die feuchte Luft, Rauchgas, ein gängiges Kühlgas und Wasser. Speziell für den Anwender erstellte Stoffwert-Module können in das Programm übernommen werden. Dies gilt grundsätzlich auch für zu kondensierende Medien. Andere Medien, die keinem Phasenwechsel unterliegen, sind durch Eingabe der benötigten Stoffwerte vom Anwender vorzugeben. Der Stoffdatengenerator PROPER kann gesondert bestellt werden und liefert für den Reinstoff oder das Stoffgemisch automatisch alle Stoffwerte. Handbuch zum Modulpaket AC Einführung 2

5 Aufbau und Bedienung Aufbau des Programms Das Programm ist aus Bausteinen (Modulen) des Programmsystems ATLAS aufgebaut, die untereinander über die Ein- und Ausgabegrößen verknüpft sind. Jedes der Module stellt ein eigenständiges Programm dar, das über eine Ein- Ausgabe-Oberfläche verfügt In die verschiedenen Bedienungsoberfläche der einzelnen Module gelangt man über das Pulldown "ATLAS-KAPITEL-(Name des Moduls)" von der Hauptbedienungsoberfläche (AC) oder von einem beliebigen Modul aus. Die Module von AC Folgende Module sind speziell für den Einsatz mit AC verfügbar: Stoffwertmodule: FRIG Stoffwerte Kältemittel * GLYC Stoffwerte Antifrogene (Hoechst) * GLYK Stoffwerte 1,2 + 1,3-Propylenglykol * H2N2 Stoffwerte Kühlmedium H 2 O Stoffwerte Wasser He Stoffwerte Helium * LUFT Stoffwerte Luft N2 Stoffwerte Stickstoff * NH3 Stoffwerte Ammoniak * OEL Stoffwerte Öle * PROP Stoffwertermittlung mit PROPER * RGAS Stoffwerte Rauchgas TOIL Stoffwerte Thermalöl * STAB Vereinbarung von Stoffwertetabellen * N2H2 Stoffwerte bei Wasserstoff/Stickstoff-Mischung * HX Stoffwerte feuchte Gase * Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 3

6 Module VDI-Wärmeatlas: Ca Berechnung von Wärmeübertragern Fc Wärmeübertragung durch freie Konvektion in geschlossenen Fluidschichten Gb Wärmeübertragung in durchströmten Rohren Gf Wärmeübertragung bei Querströmung Ja Wärmeübergang bei Kondensation Ld Druckverlust bei Querströmung Ldb Druckverlust bei der Strömung quer zu berippten Kreis- und Ovalrohrbündeln Lg Druckverlust in durchströmten Verdampferrohren Lm Druckverlust im Aussenraum von Rohrbündel- Wärmeübertragern Mb Wärmeübergang an berippten Oberflächen * * * Module Bereich Wärmeübertrager: 2049 Erstellung der Abnahmeunterlagen nach VDI 2049 * ACK Berechnung der Naturkonvektion * DGK Partielle Kondensation in mehrstufigen * Druckgaskühlern DRLL Wärmeübergang und Druckverlust in durchströmten * Drallrohren DRRB Druckverlust über querangeströmten Rippenrohrbündel INLR Berechnung des Wärmeüberganges und des * Druckverlustes bei der Strömung durch Rohre mit innenliegenden Längs- oder Spiralrippen PLRE Rezirkulation von heißer Luft in Rohrregister- * Wärmeübertragern RDV Berechnung des rohrseitigen Druckverlustes TWIS Berechnung des Wärmeüberganges und des * Druckverlustes bei der laminaren Strömung durch Rohre mit/ohne Schraubeneinbauten VENT Berechnung der Leistungsaufnahme von Ventilatoren * unter Angabe der Zuordnung des Ventilators zum Bündel (saugend/drückend) und des Ventilatorwirkungsgrades ZELL Berechnung der Temperaturverteilung in einem Wärmeübertrager * Datenbank mit thermischen Eigenschaften von Apparatewerkstoffen * Zusatzmodule, die gesondert bestellt werden können Genereller Ablauf der Berechnung Es wird nicht zwischen einem getrennten Vorgang für die Dateneingabe und der Berechnung unterschieden. Das Programmsystem ATLAS ist ein simultanes Dialog/Berechnungssystem. Jede Vorgabe eines Wertes löst unmittelbar einen Bearbeitungsschritt aus, bis dies auf Grund der Bestimmtheit des Systems nicht mehr möglich ist und die Lösung erreicht ist. Welcher Wert ein Vorgabewert oder Ergebniswert ist, wird vom Anwender entschieden. Die Grundfunktionen dieses Moduls und die verschiedenen Bearbeitungsregeln entnehmen Sie bitte der Beschreibung des Programmsystems ATLAS. Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 4

7 Bedienung des Programms Start von AC Starten Sie WINDOWS und öffnen Sie (wenn nötig) die Programmgruppe "LV". Durch Doppelklicken des AC-Programm-Icons in der Programmgruppe "LV" starten Sie AC. Abbildung 1 AC Programm Icon Nach dem Start erscheint ein Menü zur Auswahl der Medien und zum Treffen von Fallunterscheidungen. Abbildung 2: Auswahl-Menü (Beispiel) Im oberen Abschnitt (Abb. 2) wird die Rohrgeometrie ausgewählt. Im mittleren Abschnitt wird die Geometrie des Wärmeübertragers festgelegt. Die Optionen "Einbauten", "innenberippt" und "Drallrohre" sowie "Mehrgängige Mäntel" und "Bad-Wärmetauscher" sind nur aktiviert, wenn die entsprechenden Zusatzmodule installiert sind. Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 5

8 Im unteren Abschnitt werden die Stoffströme in und um die Rohre spezifiziert. Der Benutzer kann hier die Phase (Gas, flüssig) der Stoffe sowie eine mögliche Phasenänderung (Kondensation, Verdampfung) angeben. In den Rohren ist Wasser, um die Rohre Luft vorausgewählt. Um einen anderen Stoff auszuwählen, öffnen Sie das Medienfenster, indem Sie auf u klicken. Nach der Wahl der Medien werden die Stoffwerte automatisch mit den entsprechenden Modulen berechnet (z.b. Luft, Wasser usw.). Beachten Sie bitte, daß einige der im Beispiel aufgeführten Medien nicht im AC-Grundpaket enthalten sind. Wird als Medium "Freie Eingabe" gewählt, müssen die Stoffwerte von Hand eingegeben werden Nach der Bestätigung Ihrer Auswahl mit "OK" erscheint die Hauptbedienungsoberfläche des AC-Moduls. In die verschiedenen Bedienoberflächen der einzelnen Module gelangt man über das bereits im Programmsystem Atlas beschriebene Menü "Atlas" mit dem Menüpunkt "Kapitel". In der Bedienungsoberfläche des Modules AC sind fast alle notwendigen Eingabemöglichkeiten zur Berechnung eines Wärmeübertragers zusammengefaßt. Diese Eingabewerte erscheinen ebenfalls in den entsprechenden Kapiteln und können auch dort eingegeben oder verändert werden, da die Kapitel untereinander verknüpft sind. Von der AC-Bedienungsoberfläche steuert der Benutzer den Ablauf seiner Berechnung. Von hier aus kann in alle anderen Module gewechselt werden. Das Menü "Spezial" Abweichend zu anderen Atlas-Modulen verfügt AC über ein Menü mit der Bezeichnung "Spezial", welches sich in der Menüleiste der Eingabemaske befindet. Abbildung 3: Menü "Spezial" Die Menüpunkte "Rohrbodenbild" und "Skizze" sind nur dann verfügbar, wenn ausreichend viele geometrische Werte in der Ein- und Ausgabemaske von AC vorhanden sind. Über den Menüpunkt Naturkonvektion(*) (siehe Abb.3) kann ein bereits ausgelegter Luftkühler per Mausklick von Zwangskonvektion auf Naturkonvektion umgestellt werden. Der Punkt "erreichbare Austrittstemperaturen" ermöglicht die Berechnung der tatsächlichen Medientemperaturen, wenn der Tauscher z.b. mit Flächenreserve ausgelegt wird. Der Punkt "Ventilatorberechnung in VENT" (*) leitet die Berechnung der Ventilator-Antriebsleistung in das Modul VENT um, wo z.b. der Ventilatorwirkungsgrad angegeben werden kann. Standardmässig wird die Ventilatorberechnung in AC intern durchgeführt. (*) nicht im Grundpaket enthalten Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 6

9 Werkstoffe Für die Arbeit mit dem Modulpaket AC ist eine umfangreiche Werkstoffdatenbank verfügbar. Starten Sie die Auswahl des Werkstoffes mit dem Menüpunkt "Werkstoffe" im Menü "Spezial". In dem darauffolgenden Fenster können Sie Ihren Werkstoff durch Anklicken und Nutzen der Cursor- Tasten auswählen. Abbildung 4: Werkstoffdaten (Beispiel) Für jeden Werkstoff sind die Ausdehnungskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeiten dargestellt. Diese Werte können von Ihnen verändert werden. Unmittelbar nachdem Sie Werte geändert haben erscheint ein Hinweisfenster, in dem Sie gefragt werden, ob Sie den Datensatz updaten wollen. Abbildung 5: Update-Hinweis Bitte bedenken Sie, daß durch den Update-Vorgang die Werte des "alten" Datensatzes mit den geänderten Werten überschrieben werden. Der ausgewählte Werkstoff und dessen Eigenschaften werden im rechten Teil des Fensters dargestellt. Die Übernahme der Werkstoffdaten erfolgt manuell. Markierte Werte können mit der Tastenkombination [Strg] + [Einfg] bzw. [Ctrl] + [Ins] in die Zwischenablage kopiert werden. Durch Anklicken von "Ende" oder mit der [ESC] - Taste beenden Sie die Werkstoffauswahl. Nach der Rückkehr in die Eingabemaske kann der Inhalt der Zwischenablage mit der Tastenkombination [Shift] + [Einfg] bzw. [Shift] + [Ins] an der jeweiligen Cursor-Position wieder ausgegeben werden. Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 7

10 Menüpunkt "Rohrbodenbild" (Rohrspiegel) Nachdem alle Geometriedaten des Bündels eingegeben worden sind, kann der Rohrspiegel des Bündels im Menü "Spezial" + "Rohrbodenbild" geöffnet werden. Abbildung 6: Rohrspiegel Im Fenster "Rohrspiegel" befinden sich editierbare Textfelder, welche Ihnen nach dem Laden einer SPI-Datei (SPI steht für Spiegel) Informationen über Art und Abmessungen des in der SPI Datei gespeicherten Rohrspiegels geben. Unmittelbar oberhalb der Grafik befindet sich ein Textfeld, in das der Titel bzw. die Bezeichnung des Rohrspiegels eingetragen werden kann. Im Textfeld rechts davon ist der Name der SPI-Datei eingetragen. Weiter unten kann der äußere Rahmen des Grafik-Fensters, welches sich auf der linken Seite befindet, vergrößert oder verkleinert werden. Es folgen drei weitere Textfelder, in denen der Manteldurchmesser, der Rohraußendurchmesser und die Rohrzahl bereits eingetragen sind. Auch diese Eintragungen können nachträglich editiert werden. In der Menüleiste des Fensters "Rohrspiegel" befinden sich die Menüs "Datei", "Zoom" und "Drucken". Mit Hilfe des Menüs "Datei" können Sie SPI-Dateien laden, den Rohrspiegel als SPI-Datei sichern oder das Fenster "Rohrspiegel" mit "Beenden" verlassen. Mit dem Menü "Zoom" kann der äußere Rahmen des Grafik-Fensters vergrößert oder verkleinert werden. Im Menü "Drucken" können Sie Ihren Rohrspiegel mit dem Menüpunkt "Drucker" auf Ihrem Drucker ausdrucken oder mit dem Menüpunkt "DXF_Datei" als DXF-Datei für die Weiterbearbeitung mit AutoCad ausgeben. Wenn Sie "Drucken" wählen, erscheint die Maske "Seitenansicht". Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 8

11 Abbildung 7: Rohrspiegel drucken Im Menü "Ausdruck" können Sie festlegen, ob Sie Ihren Rohrspiegel auf ein, zwei oder vier Seiten (DIN A4) ausdrucken möchten. Mit Hilfe der Buttons "+" und "-" kann zwischen diesen Seiten gewechselt werden. Die aktuelle Seite wird dabei jeweils angezeigt. Im Auswahlmenü "Maßstab" können Sie durch Anklicken eines neuen Maßstabes Ihren Rohrspiegel an die Größe der Seite(n) anpassen. Die Maßstabsänderung wird sofort auf der angezeigten Seite (DIN A4) wirksam. Im Feld "Bemerkung" kann ein beliebiger Text eingetragen werden, welcher zusammen mit dem Dateinamen (SPI), dem Maßstab und der Seitenzahl auf dem Ausdruck erscheint. Sobald Ihr Drucker bereit ist, können Sie mit dem Button "Drucken" den Ausdruck Ihres Rohrspiegels starten. Nach dem Ausdruck des Rohrspiegels wird die Maske "Seitenansicht" verlassen. Mit dem Button "Abbrechen" brechen Sie die Bearbeitung ab und verlassen eben-falls die Maske. Wenn Sie das Menü "Drucken" + "DXF_Datei" wählen, erscheint eine Maske entsprechend dem Windows-Standard, in der Sie den Namen der DXF-Datei eingeben müssen:. Abbildung 8: Rohrspiegel exportieren Mit "Speichern" wird das Rohrbodenbild unter dem eingetragenen Dateinamen gespeichert. Mit "Abbrechen" verlassen Sie die Maske, ohne zu speichern. Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 9

12 Menüpunkt Skizze Beschriftung einer Skizze des Übertragers für die Dokumentation. Als Vorlage zur Beschriftung dient eine beliebige BMP-Datei, die Sie über den Menüpunkt "Grafik laden" aktivieren. Die Beschriftungsfelder können an einer beliebigen Stelle der Grafik plaziert werden (Taste "Modus verschieben"). Der gewünschte Beschriftungstext kann über "Mode=Text editieren" und Selektion über die Listbox eingeblendet werden. Es erscheinen somit immer die aktuellen Daten. Diese Skizze kann ausgedruckt werden (Grafik drucken) und als Muster abgespeichert werden (Beschriftung speichern). Thermische und hydraulische Berechnungen Allgemein Prinzipiell ist es möglich, in beliebiger Reihenfolge Daten einzugeben. Dies führt über entsprechende Umwege auch zum Berechnungsziel. Wir empfehlen, zunächst die Rohr- und Bündeldaten zu wählen und dann die Wärmebilanz festzulegen. Geometrische Daten Das Kreuzstrombündel besteht aus Rohrreihen gleicher Rohrzahl. Die Anordnung der Rohre (Spiegel) wird durch die Teilung in Längs- und Querrichtung und der Lage (fluchtend/versetzt oder teilversetzt) bestimmt. Alle diese Angaben sind wählbar. Abbildung 9: Geometrische Daten Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 10

13 Bei Rippenrohren werden die Abmessungen der Rippen benötigt. Rohrdurchmesser, Länge und die Anzahl der Pässe schließen die Definition der Geometrie ab. Abbildung 10: Eingabemaske Bereich Geometrie Über den Menüpunkt "Rohrbodenbild", im Menü "Spezial", kann die vereinbarte Geometrie des Bündels maßstabsgerecht betrachtet werden Stoffwerteberechnung Bei Stoffströmen, die keinem Phasenwechsel unterliegen, wird zur automatischen Berechnung der Stoffwerte der Eintrittsdruck, die Eintritts- und Austrittstemperatur benötigt. Im Falle einer unbekannten Temperatur muß diese als Schätzwert "s" (z.b. "40s") eingegeben werden. Bei Kondensations- oder Verdampfungsvorgängen reiner Stoffe kann entweder der Eintrittsdruck oder die Eintrittstemperatur vorgegeben werden. Das Programm errechnet mit Hilfe einer hinterlegten Dampfdruckkurve selbsttätig die fehlende Zustandsgröße und die Stoffwerte. Ist der gewünschte Stoffstrom im Auswahl-Menü "Rohrregister Wärmeübertrager" (siehe Abb. 2.2) nicht auswählbar, muß das Medium als "Freie Eingabe" definiert werden und die Stoffwerte sind von Hand einzugeben. Dabei ist darauf zu achten, die Stoffwerte für die mittleren Temperaturen vorzugeben. Im Falle von Leistungsnachrechnungen bedeutet dies, daß die Stoffwerte nachgeführt werden müssen. Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 11

14 Wichtig: Bitte beachten Sie dazu folgende Vorgehensweise: Tragen Sie auf der Ein- /Ausgabemaske AC die Temperaturen und den Druck bei der Option "Freie Eingabe" ein. Das Programm erstellt automatisch ein Kapitel SDAT und wechselt in dieses. Geben Sie bitte dort die Stoffwerte für den "Zustand 1" in der Reihenfolge 1. Dichte 2. Spez. Wärmekapazität 3. Dynamische Viskosität 4. Wärmeleitfähigkeit ein. Nach der Eingabe der Wärmeleitfähigkeit wechselt das Programm (mit der Übernahme der eingetragenen Stoffwerte) automatisch wieder in das Modul AC. Thermische Berechnung (Bilanz, Kinetik) Die Wärmebilanz legt die Soll-Leistung des Wärmeübertragers fest. Je nach Aufgabe des Übertragers werden in die Maske des Programmes AC die Temperaturen, Drücke und Mengen eingegeben. Die Reihenfolge der Eingabe ist beliebig. Es sind fünf Werte der vier Temperaturen (zwei Eintritts- und zwei Austrittstemperaturen) und zwei Mengen notwendig, um die Bilanz festzulegen. Die sechste Größe wird durch das Programm bestimmt und ist nicht mehr frei wählbar. Im Falle einer unbekannten Temperatur muß diese als Schätzwert "s" (z.b. "40s") eingegeben werden, damit das Programm in das jeweilige Stoffkapitel wechseln kann. Sind alle vier Temperaturen vorgegeben und ist der Massenstrom einer Seite (z.b. in den Rohren) bekannt, so wird der Massenstrom der anderen Seite (z.b. um die Rohre) zum Schließen der Wärmebilanz vom Programm berechnet. Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 12

15 Abbildung 11: Eingabemaske AC, Bereich Stoffwerte + Wärmebilanz Sobald alle Daten für die Bestimmung des Wärmedurchgangs vorliegen, berechnet das Programm auf dieser Basis eine "Wärmeleistung (ist)". Der Vergleich mit der "Wärmeleistung (soll)" aus der Wärmebilanz zeigt über die "Leistungszahl" (= "Wärmeleistung (ist)" / "Wärmeleistung (soll)") an, ob das vorgegebene Bündel die Aufgabe erfüllt oder nicht. Ist die Leistungszahl kleiner als 1, so ist der Wärmeübertrager unterdimensioniert, entsprechend weist er für eine Leistungszahl > 1 ein Überdesign auf. Abbildung 12: Eingabemaske AC, Bereich Bewertung Es liegt nun im Ermessen des Anwenders, zu entscheiden, welchen Weg er einschlagen möchte, um den Übertrager an die geforderte Leistung anzupassen. Es kann die Geometrie verändert oder die Leistung über Veränderung der Prozeßbedingungen angepaßt werden. Dies hängt von der speziellen Aufgabenstellung und den Randbedingungen ab. Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 13

16 Eine andere Möglichkeit bietet die Parameterstudie Der Anwender kann die Abhängigkeit der Leistungszahl von einer beliebigen Größe (z.b. Rohrlänge) darstellen und so die Dimensionierung vornehmen oder die Leistung des Übertragers unter veränderten Prozeßbedingungen einschätzen. Hydraulische Berechnung Parallel zur thermischen Berechnung ermittelt das Programm den Druckverlust in und um die Rohre sowie die beiden Austrittsdrücke. Der Benutzer kann die berechneten Druckverluste mit den zulässigen Druckverlusten (Vorgabewerte) vergleichen und, falls nötig, über Änderungen der Eingabewerte (z.b. Geometriewerte) den Randbedingungen anpassen bzw. durch Eingabe des gewünschten Druckverlustes eine Eingabegröße modifizieren. Mit Hilfe der Parameterstudie (vgl. ATLAS-Handbuch) kann der berechnete Druckverlust in Abhängigkeit von Eingabegrößen (z.b. veränderliche Prozeßbedingungen: Temperaturen, Durchsätze) dargestellt werden Anwendungspeispiele Erzeugung von Heißluft Soll der Wärmeübertrager heiße Luft einer bestimmten Menge erzeugen, so sollte das Austrittsvolumen und die Temperatur der Luft vorgegeben werden. Damit liegt die "heiße" Seite fest und die Übertragerfläche kann durch Variation der Vorlauftemperatur oder Menge einer Optimierung unterworfen oder bauseitigen Größen angepaßt werden. Luftkühlung von Prozeßstrom In diesem Fall bestimmt der Prozeßstrom die Wärmebilanz und wird über die Menge, die Ein- und Austrittstemperatur vorgegeben. Die Luftseite kann dann im Rahmen der Gesamtbaugröße, einer maximalen Pressung oder anderen Kriterien bestimmt werden Kühlen von feuchter Luft (Gasen) Bei der Kühlung von feuchter Luft kann es zum Ausfall von Wasser kommen. Ausschlaggebend dafür ist die Temperatur der Rippenoberfläche. Diese bedeutet, daß es zur Kondensation von Wasser kommen kann, obwohl die relative Feuchte der anströmenden Luft unter Sättigung liegt. Für den Wärmeübergang auf der Luftseite bei Kondensation gibt es keine zufriedenstellenden Beziehungen. Die besten Resultate werden erreicht, indem für die reine Gasströmung gerechnet wird und der luftseitige Wärmeübergang der Wärmebilanz angeglichen wird. Thermodynamisch betrachtet geht man davon aus, daß so lange die Le-Zahl etwa 1 beträgt, dieses Vorgehen auf Grund der Analogie zwischen Wärmeübergang und Stoffübergang gerechtfertigt ist. Dies gilt bis zu einer limitierten Kondensatmenge, ab der sich die Rippenzwischenräume mit Wasser füllen und den Wärmeübergang verschlechtern. Die Berechnung wird in diesem Fall mit einer Meldung abgebrochen. Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 14

17 Begriffe Rohrdurchgänge ND Wie oft durchströmt das Medium in den Rohren das Bündel? Beispiel: Das Medium tritt in das Bündel ein, durchströmt es einmal, wird am Ende umgelenkt (U-Rohr), strömt zurück, wird wieder umgelenkt und verlässt schliesslich das Bündel wieder. Das sind drei Rohrdurchgänge. Die Anzahl der Rohrdurchgänge beeinflusst vor allem die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Rohr. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto höher wird der Druckverlust. Gleichzeitig wird aber auch der Wärmeübergang innen besser. Durchgänge in Richtung der äusseren Strömung Die Anzahl der "Stufen", miit denen das rohrseitige Medium der äusseren Strömung entgegengeführt wird. Die Anzahl der Durchgänge in Richtung der äusseren Strömung hat Einfluss darauf, wie stark sich das Gegenstromverhalten bemerkbar macht. Registerwärmetauscher sind ja üblicherweise Kreuzgegenströmer mit mehr oder weniger grossem Gegenstromanteil. Je mehr Durchgänge in Richtung der äusseren Strömung, desto stärker das thermodynamisch günstigere Gegenstromverhalten. Ist die Anzahl der Rohrreihen grösser als die der Rohrdurchgänge, dann führt man daher i.d.r.das Medium innen mit allen Durchgängen der äusseren Strömung entgegen. Ist dagegen die Anzahl der Rohrreihen kleiner als die der rohrseitigen Durchgänge, dann muss man einige Rohrdurchgänge quer zur äusseren Strömung führen. Konstruktiv bedeutet das beispielsweise, dass einige U-Bögen quer zur äusseren Strömungsrichtung angelötet werden müssen. Wendekammer Das Medium aussen durchströmt das Bündel mehrmals. Die Umlenkung geschieht bei rechteckigen Mänteln üblicherweise jeweils in einer Kammer, deren Form sehr individuell sein kann. Die Berechnung des zusätzlichen Druckverlustes infolge der Umlenkung kann daher nur über die Angabe eines Druckverlustbeiwertes für die Wendekammer erfolgen. Dieser liegt i.d.r. im Bereich 0,5...5,0. Der angegebene Beiwert geht lediglich in die Berechnung des Druckverlustes im Mantel ein. (Literaturwerte z.b. in Renknagel, Sprenger, Schrameck, "Taschenbuch f. Heizung und Klimatechnik", Oldenbourg Verlag 1997/98, Seite 1202) Austrittstemperatur erreichbar bei LZ=1 Meistens legt man den Apparat mit einer gewissen Leistungsreserve aus, d.h. der Apparat überträgt mehr Wärmeleistung als in der Aufgabenstellung gefordert. Das hat zur Folge, dass bei gegebenen Mengenströmen die Austrittstemperaturen anders sind als bei der Auslegung angenommen. Die erreichbare Austrittstemperatur ist also die Temperatur, die sich in der Praxis tatsächlich einstellt. Insbesondere bei der Auslegung von mehrstufigen Tauschern (z.b. Zweikreiskühler) ist es u.u. wichtig, für die Folgestufen die tatsächlichen Austrittstemperaturen der vorherigen Stufen einzusetzen. Handbuch zum Modulpaket AC Aufbau und Bedienung 15

18 Beispiele Beispiel kg/h Prozesswasser ist von 110 C auf 80 C zu kühlen. Verwendet werden soll ein Kreisrippenrohr-Luftkühler. Die Luft strömt mit 20 C zu und soll mit 30 C den Übertrager verlassen. 1. Schritt: Stoff- und Geometriebestimmung Abbildung 13: Grunddaten Beispiel 1 Handbuch zum Modulpaket AC Beispiele 16

19 2. Schritt: Spezifikation des Rohrregisters Abbildung 14: Geometrie (Austenitisches Rohr) Abbildung 15:Geometrie Bündel und Rippen (Aluminium-Rippe) 3. Schritt: Festlegen der Bilanzgrößen Abbildung 16: Medienströme Handbuch zum Modulpaket AC Beispiele 17

20 Abbildung 17: Stoffwerte und Druckverluste 4. Schritt: Beurteilung Abbildung 18: Übertrager ist ca. 50 % zu groß! Ergebnis: Es können weniger Rohre verwendet werden! Handbuch zum Modulpaket AC Beispiele 18

21 Beispiel m³/h Raumluft soll von 32 C auf 12 C gekühlt werden. Kühlmedium ist 1-2 Propylenglykol (13000 kg/h, Frostsicherheit -20 C, Zulauftemperatur: -2 C). 1. Schritt: Stoff- und Geometriebestimmung Abbildung 19 Für die Kühlaufgabe wird ein Rechteckrippenrohr mit durchgehender Lamelle verwendet. Nach Auswahl des Stoffstromes in den Rohren Glykol(VDI)' wird der Benutzer aufgefordert, die Frostsicherheit einzugeben (Eingabe: -20 C). Die Auswahl wird mit OK' bestätigt. Handbuch zum Modulpaket AC Beispiele 19

22 2. Schritt: Spezifikation des Rohrregisters Abbildung 20: Rohrmaterial: Kupfer Abbildung 21: Rippenmaterial: Aluminium 3. Schritt: Festlegen der Bilanzgrößen Abbildung 22 Die Austrittstemperatur des Glykols ist nicht bekannt. Damit das Programm die Stoffwerteberechnung startet, muß die Temperatur geschätzt werden. Eingabe 10s (s für Schätzwert) Nach der Eingabe der geschätzten Austrittstemperatur in den Rohren wird der Benutzer zur Spezifikation des Glykols aufgefordert. Handbuch zum Modulpaket AC Beispiele 20

23 Abbildung 23 Die Auswahl (hier: 1-2 Propylenglykol) wird mit 'Fertig' bestätigt. Abbildung 24 Über die rechte Seite (um die Rohre) ist die Bilanz festgelegt. (Die Wärmeleistung (soll)' beträgt 161,745 kw). Aufgrund der geschätzten Austrittstemperatur in den Rohren wird der Glykol-Massenstrom berechnet und die Bilanz geschlossen. Der Massestrom des Glykols wird entsprechend der Pumpenförderleistung eingetragen, in unserem Beispiel nehmen wir 13000kg/h an. Abbildung 25 Daraufhin rechnet das Programm die Austrittstemperaur des Glykols sowie dessen Stoffwerte nach. Abbildung 26 Handbuch zum Modulpaket AC Beispiele 21

24 4. Schritt: Beurteilung Abbildung 27 Die Leistungszahl' ist das Verhältnis Wärmeleistung (ist)' / Wärmeleistung (soll)'. Im vorliegenden Beispiel kann der Wärmeübertrager tatsächlich mehr Wärme übertragen, als erforderlich ist. Demzufolge wird die Kühlaufgabe sicher erfüllt 5. Schritt: Abschätzung der erreichbaren Austrittstemperaturen Aufgrund des Überdesigns (hier: 36%) werden sich im Betrieb andere Austrittstemperaturen einstellen: - In den Rohren wird die Austrittstemperatur steigen. - Um die Rohre wird die Austrittstemperatur sinken. Eine erste Abschätzung der tatsächlichen Austrittstemperaturen kann über das Menü Spezial/erreichbare Austrittstemperaturen erfolgen: Abbildung 28 Abbildung 29 Allerdings werden hier die Stoffwerte und die hydraulischen Daten nicht auf die Werte nachgerechnet, die sich dann in der Praxis tatsächlich ergeben. Daher muß für genaue Nachrechnungen der komplette Apparat simuliert werden. Handbuch zum Modulpaket AC Beispiele 22

25 6. Schritt: Simulation des Wärmeübertragers Dazu überschreibt man die Leistungszahl mit dem Wert 1' (d.h. Wärmeleistung (ist)' = Wärmeleistung (soll)') Schritt 6 a): Abbildung 30 Da das Berechnungssystem durch die Eingabe der zuvor berechneten Größe ( Leistungszahl') überbestimmt ist, muß eine Eingabegröße ( Austrittstemperatur Medium aussen T_Aa') zur Berechnung freigegeben werden: Schritt 6 b): Abbildung 31 Kann das Berechnungssystem bei der iterativen Berechnung nicht exakt den vorgegeben Wert (hier: 1') berechnen, zeigt das Programm den Verlauf der Iteration an und schlägt eine Lösung vor: Schritt 6 c): Abbildung 32 Handbuch zum Modulpaket AC Beispiele 23

26 Mit Bestätigung besten Wert übernehmen' kehrt man mit dieser Lösung in die Ein-/Ausgabemaske AC wieder zurück. Entspricht die gefundene Lösung nicht den Erwartungen, können die beschriebenen Schritte 6a, 6b und 6c entsprechend wiederholt werden. Im vorliegenden Beispiel wurde nach 2 Versuchen (Schritte 6a bis 6c) die Lösung Leistungszahl' = 1,003 gefunden, was einem Überdesign von 0,3% entspricht. Man kann davon ausgehen, daß der Wärmeübertrager in diesem Zustand genausoviel Wärme überträgt, wie sich aus der Bilanz ergibt. Abbildung 33 Die Temperaturen unterscheiden sich nur geringfügig von den oben geschätzten: Abbildung 34 Eine andere Methode bietet die Parameterstudie (siehe Atlas-Handbuch). Man variiert die Austrittstemperatur' um die Rohre und beobachtet den Verlauf der Leistungszahl' Handbuch zum Modulpaket AC Beispiele 24

27 Weitere Hinweise Information für AC-Updates Für AC-Kunden, die vor dem eine *.atl in Ihrem Projekt AC abgespeichert haben und nach dem ein AC-Update bekommen haben, kann folgendes auftreten: 1. Beim Laden einer abgespeicherten *.atl erscheint folgendes Bild: Diese Meldung wird ein- oder mehrmals mit OK bestätigt. 2. Im nächsten Fenster muss der Druckverlust Medium aussen angewählt und mit Return bestätigt werden. Handbuch zum Modulpaket AC Weitere Hinweise 25

28 3. Im nächsten Fenster muss der Druckverlust Bündel Medium aussen angewählt und mit Return bestätigt werden. 4. Anschließend speichern Sie die Änderungen unter dem gleichen Namen wieder ab. Handbuch zum Modulpaket AC Weitere Hinweise 26

29 Freie Eingabe 5, 11, 12 Index G Gegenstromverhalten 15 Geometrie 1, 5, 10, 11, 14, 17 Glattrippen 1 H Heißluft 14 hydraulische Berechnungen 10 I A Antriebsleistung 6 Apparatewerkstoffen 4 Atlas 6 ATLAS 3, 4, 14 Ausdehnungskoeffizienten 7 Austrittstemperatur 11, 14, 15, 20, 21, 22, 24 B Bad-Wärmetauscher 5 Beheizen 1 Beiwert 15 Benetzung 1 Berechnungssystem 4, 22, 23 besten Wert übernehmen 23 Bilanz 12, 21, 23 Bilanzgrößen 17, 20 BMP-Datei 10 Bögen 15 Bündel 1, 4, 13, 15, 17, 25 D Dampfdruckkurve 11 Drallrohre 5 Druckverlust 2, 4, 14, 15, 25 Druckverlustbeiwertes 15 Durchgänge 15 E Einbauten 5 Eingabemaske 6, 7, 11, 13 Eintrittsdruck 11 Eintrittstemperatur 11 Erhitzer 1 erreichbare Austrittstemperaturen 6, 21 F feuchte Luft 2 Flächenreserve 6 fluchtend 10 innenberippt 5 Iteration 23 K Kammer 15 Kapitel 6, 12 Kinetik 12 Kondensation 2, 3, 4, 5, 14 Kondensationsvorgänge 1 Kondensationsvorgängen 1 Kreisrippen 1 Kreuzstrom 1 Kreuzstrombündel 10 Kühlen 1, 14 Kühlgas 1, 2 L Lamellen 1 Leistungsreserve 15 Leistungszahl 13, 14, 21, 22, 23, 24 Luftkühlung 14 M Mehrgängige Mäntel 5 Mehrgängigkeit 1 N Naturkonvektion 4, 6 P Parameterstudie 14, 24 Phasenänderung 5 Phasenwechsel 2, 11 PROPER 2, 3 Q Querrichtung 10 Handbuch zum Modulpaket AC Index 27

30 R Rauchgas 2, 3 Rechteckrippen 1 Rippenrohr 1 Rippenrohren 1, 10 Rohrbodenbild 6, 7, 9, 11 Rohrdurchgänge 15 Rohrreihen 10, 15 Rohrspiegel 7, 8, 9 S Schätzwert 11, 12, 20 SDAT 12 Skizze 6, 9, 10 Spezial 6, 7, 11, 21 SPI-Datei 8 Spiralrippen 1, 4 Stoffwerte 2, 3, 5, 11, 12, 13, 18, 21, 22 Stoffwerteberechnung 11, 20 T Teilung 10 teilversetzt 10 Ü überbestimmt 22 Umlenkung 15 Updates 25 V VDI-Wärmeatlas 2, 3 VENT 4, 6 Ventilatorberechnung 6 Ventilatorwirkungsgrad 6 Verdampfung 5 Verdampfungsvorgänge 1 versetzt 10 W Wärmebilanz 2, 10, 12, 13, 14 Wärmedurchgangs 13 Wärmeleistung (ist) 13, 21, 22 Wärmeleistung (soll) 13, 21, 22 Wärmeübergang 1, 2, 3, 4, 14, 15 Wärmeübertrager 1, 2, 4, 11, 13, 14, 21, 23 Wendekammer 15 Werkstoffe 6 Z Zusatzmodule 1, 4, 5 Zwangskonvektion 6 Handbuch zum Modulpaket AC Index 28