Wärmeaustauscher auslegen

Die in der 32-Bit-Prozeßsimulationssoftware CHEMCAD enthaltene Datenbank verfügt über die thermischen Daten von 1800 Komponenten. Die integrierten Berechnungsmethoden erleichtern die Ermittlung der thermischen Bilanz des Wärmeaustauschers erheblich. Insbesondere lassen sich die Stoffdaten für den kalten und warmen Strom in Abhängigkeit von der Temperatur errechnen. Im Falle einer Kondensation bzw. Verdampfung stehen sowohl Taupunkt als auch Siedepunkt als Ergebnis zur Verfügung. Parallel hierzu wird aber auch das Phasengleichgewicht der Gemische während der Kondensation und Verdampfung sowie die Kondensations- und Verdampfungswärme ermittelt.

An einem Beispiel soll die Berechnung eines Wärmeaustauschers mit dem Modul CCTHERM demonstriert werden. Es wird ein Verdampfer angenommen, der mit überhitztem Dampf von 10 bar und 203 °C (25 °C Überhitzung) betrieben wird. Als kaltes Medium wird ein Gemisch aus Benzol, Toluol und o-Xylol angenommen, das mit 30 °C eintritt. Abbildung 1 zeigt die spezifische Wärmekapazität dieses Gemisches im Temperaturbereich von 30 °C bis zum Siedebeginn.

Mit Hilfe der Stoffdaten lassen sich sämtliche thermischen Zusammenhänge während des Wärmeaustausches darstellen. Als Ergebnis ergibt sich eine Tabelle mit den Wärmedaten, den Temperaturen und den Stoffdaten der beiden Medien. Hierzu wird zunächst auf beiden Medienseiten der Taupunkt und der Siedepunkt ermittelt. Zwischen beiden Punkten werden anschließend 10 oder mehr äquidistante Abschnitte gebildet und für jeden dieser Abschnitte die Wärmeübertragung berechnet. Abbildung 2 zeigt die grafische Darstellung des Rechenergebnisses. Für die weiteren Auslegungsberechnungen sind allerdings die numerischen Daten ausschlaggebend. In der numerischen Darstellung können die Daten daher überprüft und gegebenenfalls geändert werden. Dadurch lassen sich die Berechnungsergebnisse eigenen Daten anpassen.

Für die Auslegungsberechnung sind natürlich auch konstruktive Details wie Rohr- und Manteldaten erforderlich, die vom Anwender vorgegeben werden müssen. Zu den Rohrdaten gehören unter anderem die Rohrlänge, Durchmesser, Wandstärke, Anzahl, Zahl der Durchgänge, Rohrabstand und Rohranordnung. Typische Manteldaten sind Manteldurchmesser, Abstand der Umlenkbleche, Ausschnittgröße am Umlenkblech und Anordnung der Umlenkbleche. Hinzu kommen die Stutzendurchmesser, Toleranzen der Bohrungen, der Umlenkbleche, die Materialien, Foulingfaktoren usw. Als Baureihe stehen die TEMA-Norm sowie die DIN-AD-Merkblätter und einige sonstige Normen zur Verfügung.

Beim Start der Software CCTHERM wird man zunächst durch alle Eingabemenüs geführt und zur Eingabe der wichtigsten Parameter aufgefordert (Abb. 3). Anschließend kann man jedes einzelne Eingabemenü individuell anwählen, die Daten überprüfen und korrigieren. Dabei stehen während der Eingabe zahlreiche Online-Hilfen zur Verfügung.

Die im Programm verwendeten Berechnungsmethoden entstammen der allgemein bekannten Fachliteratur und lassen sich leicht nachvollziehen. So diente als amerikanische Literatur u. a. das Werk von Hewitt, Shires, Bott: „Process Heat Transfer“, als deutsche Literatur der VDI-Wärmeatlas in seiner englischen Übersetzung, 1. Auflage.

Beginnend mit der Bestimmung der Phasenlage bzw. des Aggregatzustandes, werden die Eigenschaften der jeweiligen Strömungen ermittelt. Anschließend wird das geeignete Berechnungsmodell gewählt und die benötigten Stoffdaten aus den zunächst geschätzten Temperaturen errechnet. Danach berechnet das Programm die Prandtl-, Reynolds- und Nusseltzahl. Basierend auf diesen Daten erhält man die Wärmeübergangskoeffizienten. Zusammen mit der Fläche und dem Temperaturunterschied ergibt sich die übertragene Wärmemenge. Insgesamt entsteht auf diese Weise ein iterativer Berechnungsprozeß, bei dem die Wärmedifferenzen des kalten und warmen Stromes zwischen Ein- und Austritt gleich sein müssen. Als weitere Bedingung muß noch die aus der Wärmedurchgangsberechnung ermittelte Wärmemenge gleich sein. Dabei werden die Verluste, die durch Leckströmung und andere typische Strömungsarten entstehen, berücksichtigt. Im Vergleich zu den allgemein bekannten Berechnungen eines Rohrbündelwärmeaustauschers nach dem VDI-Wärmeatlas ist die CCTHERM-Berechnung erheblich umfangreicher und komplizierter. Die Auslegungsberechnung erfolgt aber trotzdem sehr schnell, da das Programm über einen Algorithmus verfügt, der die hier beschriebene Iteration schnell zur Konvergenz bringt.

Als Ergebnis der zuvor beschriebenen Auslegungsberechnung erhält man alle notwendigen und wichtigen thermischen und konstruktiven Ergebnisse des Rohrbündelwärmeaustauschers. Dazu gehören sowohl die Wärmeübergangskoeffizienten auf der Rohrinnen- und Rohraußenseite als auch der Wärmedurchgangskoeffizient und die Druckverluste auf beiden Seiten (Abb. 4).

Eine erste Wärmeberechnung in CHEMCAD ergibt auf Grund der thermischen Vorgaben die benötigte Wärmeleistung. Die Auslegungsberechnung in CCTHERM liefert auf Anhieb nicht dasselbe Ergebnis, da nunmehr auf Grund der Konstruktionsdaten die Wärmedurchgangskoeffizienten und die Fläche bekannt sind. In der Ergebnisdarstellung wird dieser Vergleich der Wärmeleistungen angezeigt. Der Anwender kann die flächenbestimmenden Daten wie z. B. die Rohranzahl verringern, bis die beiden Wärmeleistungen näherungsweise übereinstimmen. Dieser ebenfalls iterative Prozeß kann auch vom Programmodul CCTHERM selbst übernommen werden, wenn es im Desigmodus betrieben wird. Die schrittweise Vorgehensweise besteht darin, daß zunächst die Suche nach der geeigneten Fläche mit einer kleinen Ausführung begonnen und die Fläche schrittweise erhöht wird, bis die Übereinstimmung der Wärmeleistung erreicht ist. Dabei werden vorgegebene Grenzwerte wie maximale Rohrlänge, maximaler Druckverlust usw. eingehalten.

Zur Auslegungsberechnung gehören auch Details der Rohrseite und der Mantelseite, die Auskunft über die internen Berechnungsergebnisse liefern. So werden bei der Kondensation und Verdampfung verschiedene Kenngrößen benötigt, die in Abhängigkeit von den Strömungsverhältnissen in den jeweiligen Abschnitten dargestellt werden. Des weiteren werden in CCTHERM Schwingungsanalysen der Rohre durchgeführt. Dabei werden sowohl die akustischen als auch die mechanischen Frequenzen an den Rohren ermittelt und mit einander verglichen. Bei genügender Annäherung werden Warnungen ausgegeben, die auf Rohrinstabilität schließen lassen.

Insgesamt eignen sich CCTHERM und CHEMCAD gut, um schnell und einfach sowohl Wärmebilanz als auch konstruktive Daten eines Rohrbündelwärmeaustauschers zu erhalten. Die wesentlichen Vorteile sind, daß der Wärmeaustauscher aus der Prozeßsimulation heraus direkt berechnet werden kann und daß keine Stoffdaten eingegeben werden müssen. Durch Kombination mehrerer Wärmeaustauscher lassen sich Studien über die bestmögliche Reihenfolge solcher Wärmeaustauscherketten ermitteln und die Pinch-Kurven grafisch darstellen.

Weitere Informationen cav-247