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Wärmeübertragung simuliert

Software für die Auslegung von Heizregistern
Wärmeübertragung simuliert

Wärmeübertragung simuliert
Das leistungsfähige Programm Therm1 ermöglicht die Entwicklung und Optimierung von Wärmekammern
Vielfach werden Heizregister hinsichtlich Form, Anordnung und Heizfläche nur nach Erfahrungswerten der jeweiligen Hersteller ausgelegt. Um die nötige Sicherheit zu garantieren, sind die Heizregister dann oft überdimensioniert. In Zusammenarbeit mit einem Institut für Thermodynamik wurde daher eine Software für die Auslegung von Wärmetauschern entwickelt.

Dipl.-Ing. P. Rosenthal, Prof. Dr. E. Obermeier

Die Entwicklung und Optimierung von Heizkammern setzt ein leistungsfähiges Programm zur mathematisch-physikalischen Simulation der instationären Wärmeübertragungsvorgänge voraus. Die Wärmeübertragungsvorgänge umfassen die Heizregister, die Behälter mit den aufzuheizenden Fluiden sowie die eigentliche Wärmekammer mit Einbauten und Wänden. Bei der Beheizung von Wärmekammern durch Fluide werden Heizregister aus Glatt- oder Rippenrohren eingesetzt. Als Heizmedium stehen im Normalfall Wasser, Thermoöle sowie Wasserdampf zur Verfügung.
Optimierung der Heizregister
Die Optimierung von Heizregistern ist am Beispiel einer Dampfbeheizung am einfachsten zu erläutern. Der Dampf kann beim Eintritt überhitzt oder gesättigt sein. Innerhalb der Register sollte der Dampf möglichst vollständig kondensieren. Um diese Bedingungen zu realisieren sind Rohrlänge, Anzahl der Rohre sowie die Schaltung der Rohre zu optimieren. Weitere Optimierungsparameter sind der Rohrdurchmesser und die Rippengeometrie (Anzahl, Höhe und Dicke). Eine Optimierung der Heizregister ohne Unterstützung eines Computerprogramms ist bei Berücksichtigung lokaler Veränderungen der Zustandsgrößen Temperatur und Dampfgehalt praktisch nicht möglich.
Das Programm Therm1 zur Auslegung, Nachrechnung und Optimierung von Heizregistern ist als Teilmodul eines umfangreichen Programmsystems zur vollständigen mathematisch-physikalischen Simulation der Aufheizvorgänge in Wärmekammern konzipiert. Das Programm berücksichtigt lokale Zustandsänderungen. Dadurch lassen sich sowohl der Einsatz von überhitztem Dampf als auch die Unterkühlung des Kondensats erfassen. Weiterhin ist es möglich die unterschiedlichen Kondensatsraten in parallel geschalteten Rohren zu berücksichtigen. Bei der Beheizung mit Thermoölen wird auch die starke Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte mit erfasst. Die geometrischen Parameter wie Rohr- und Rippengeometrien sowie die Schaltung des Registers lassen sich frei variieren.
Berechnung der Wärmeleistung
Das Programm Therm1 kann zur Berechnung verschiedener Wärmeträgerfluide eingesetzt werden. Mantelseitig wird hierbei stets von Luft ausgegangen, die es zu erwärmen gilt. Rohrseitig sind dies wahlweise Wasser, rund 70 verschiedene Thermoöle, Wasserdampf überhitzt und/oder gesättigt oder zweiphasig als Wasser-Dampf-Gemisch. Hinsichtlich Form und Ausführung der vorgesehenen Wärmetauscherrohre besteht eine weitere Anzahl Parameter, die das Programm berücksichtigt, wie Materialien der Rohre und der Rippen, Glatt- oder Rippenrohre, Rohrwandstärken und unterschiedliche Rippengeometrien. Beliebige Schaltungskombinationen werden individuell projektiert, das bedeutet unabhängig davon, ob die Gesamtzahl der erforderlichen Rohre alle in Reihe geschaltet oder einige der Rohre beispielsweise paarweise parallel geschaltet sind. Dabei wird auch die konstruktive Anordnung der Rohre innerhalb des Luftkanals berücksichtigt. So werden Rohre einreihig, einreihig seitlich versetzt oder zweireihig angeordnet ausgelegt, je nach Geometrie des erforderlichen Luftkanals um auch bei niedrigen Bauhöhen noch genügend Heizfläche unterbringen zu können. Grundlage für die Berechnung ist das Zellenmodell. Jedes Rohr wird programmtechnisch in kleine Abschnitte unterteilt. Wärmeströme, Stoffwerte, Temperaturen und Dampfgehalte werden lokal ermittelt.
Optionen für die Berechnung
Therm1 verfügt über mehrere Optionen zur Berechnung der Heizregister. In Modus 1 für die Auslegung der Register lassen sich die notwendige Anzahl der Rohre (Heizfläche) bei vorgegebener erforderlicher Leistung in einem Betriebspunkt berechnen. Die Berechnung des Einzelwertes erfolgt in Modus 2. Bei vorgegebenem Mengenstrom und gegebener Eintrittstemperatur sowie festgelegter Geometrie wird die Leistung des Heizregisters bestimmt. Modus 3 dient der Berechnung der Leistungskurve. Die Leistungen werden über das gesamte mögliche Temperaturintervall während der Aufheizung berechnet. Hierbei lässt sich wahlweise der Massenstrom des Dampfes konstant halten oder so anpassen, dass gerade vollständige Kondensation erfolgt. Für die Ausgabe der Daten steht neben der üblichen Textausgabe auch eine detaillierte grafische Ausgabe zur Visualisierung lokaler Temperaturen und Dampfgehalte sowie eine entsprechende Leistungs- und Dampfverbrauchskurve bei vollständiger Kondensation zur Verfügung.
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