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- Mit einer Näherungsgleichung kann der Wärmedurchgangskoeffizient von berippten Wasser/Luft-Wärmeübertragern im Gegenstrom bei veränderten Betriebsbedingungen ohne die genaue Kenntnis der Wärmeübertrager-Geometrie mit geringem Aufwand ermittelt werden.
- Dazu sollten beide Medienströme in beiden Betriebszuständen turbulent sein.
- Ein besonderer Vorteil der Näherungsgleichung ist, dass die Geschwindigkeiten der Medien nicht bekannt sein müssen, da in die Gleichung nur die relative Änderung der Geschwindigkeiten einfließt.
Berippte Wärmeübertrager werden als Erhitzer, Kühler oder als Wärmeübertrager in Kreislaufverbundsystemen zur Wärmerückgewinnung eingesetzt. Hierbei dienen auf der Luftseite berippte Rohre zur Wärmeübertragung, die im Kreuzstrom – also quer zur Luftrichtung – angeordnet sind. Allerdings werden die einzelnen Rohre nacheinander im Gegenstrom zur Luft durchströmt, sodass bereits ab wenigen Durchgängen der Kreuz-Gegenstrom thermodynamisch dem reinen Gegenstrom sehr nahe kommt. Aus diesem Grund können ab einigen Rohrreihen (> 4) praktisch die physikalischen Gegenstrombeziehungen verwendet werden1).
Für den für eine Anwendung erforderlichen, auf den Luftstrom bezogenen thermodynamischen Temperaturänderungsgrad wird eine dimensionslose Kenngröße NTU (Number of Transfer Units) benötigt, die den Wärmeübertrager in seiner Charakteristik beschreibt. Aus dieser dimensionslosen Kennzahl NTU ergibt sich dann mit Bezug auf den Gegen-strom der thermodynamische Temperaturänderungsgrad2) (Wirkungsgrad) des Wärmeübertragers Abb. 2.
Dieser Temperaturänderungsgrad wird durch eine Exponentialgleichung wie folgt beschrieben:
und
i Wärmekapazitätenstromverhältnis der beiden Medien, beispielsweise 1 = W1 / W2
NTUi Number of Transfer Units, bezogen auf die einzelnen Ströme i
F Korrekturfaktor zum reinen Gegenstrom
Die Abweichung des Kreuz-Gegenstroms zum thermodynamisch reinen Gegenstrom wird dabei mit dem Korrekturfaktor F beschrieben, der ab vier Durchgängen, also ab vier Rohrreihen n Abb. 3, wie folgt berechnet wird:
Die dimensionslose Kennzahl NTU errechnet sich dabei aus der Beziehung:
k Wärmedurchgangskoeffizient in W/(m2 K)
A Wärmeübertragende Fläche in m2
cp spezifische Wärmekapazität in kJ/(kg K)
d Dicke des wärmeleitenden Materials (z. B. des Rohres) in m
Da beispielsweise bei einem Wasser/Luft-Wärmeübertrager der Wärmeübergangskoeffizient auf der Wasserseite in einer Größenordnung von ca. 2000 bis 5000 W/(m2 K) liegt und gleichzeitig die Wärmeleitung im Rohr oder der Lamelle im Vergleich zu den Medienseiten vernachlässigbar klein ist, wird schnell deutlich, dass der Wärmeübergangskoeffizient auf der Luftseite meist der limitierende Faktor der Wärmeübertragung ist. Üblicherweise liegen Wärmeübergangskoeffizienten auf der Luftseite je nach Rohranordnung und Lamellengeometrie bei ca. 20 bis 40 W/(m2 K) und damit um rund zwei Zehnerpotenzen niedriger als auf der Wasserseite.
Die Wärmeübertragung durch eine erzwungene Strömung ergibt sich aus folgender Beziehung:
Nu dimensionsloser Wärmeübergangskoeffizient, Nusseltzahl Nu = f (Pr, Re)
l charakteristische Länge der Lamelle in m
Wärmeübertragung auf der Luftseite
Die dimensionslose Nusseltzahl Nu errechnet sich an der berippten Oberfläche (Lamelle) eines Wärmeübertragers mit versetzter Rohranordnung Abb. 4 ab vier Rohrreihen auf der Luftseite3) Abb. 3 aus:
für turbulente Strömung mit 103 5 und 5 0
Pr Prandtl-Zahl (stoffabhängige Größe des Mediums, z. B. Luft)
cp spezifische Wärmekapazität in kJ/(kg K)
Re Reynold-Zahl (strömungsabhängige Größe)
w Strömungsgeschwindigkeit im engsten Querschnitt in m/s
l charakteristische Länge der Lamelle in m
A/A0 Oberflächenverhältnis äußere Fläche A zur Rohrfläche A0
h charakteristische Lamellenhöhe
s1 Achsabstand der Rohre in Luftrichtung in m
s2 Achsabstand der Rohre quer zur Luftrichtung in m
d Rohrdurchmesser in m
s Materialdicke der Lamelle in m
tr Lamellenteilung in m
Wärmeübertragung im Rohr
Die dimensionslose Nusseltzahl Nu errechnet sich hier innerhalb der Rohre4) (Medienseite) aus:
für turbulente Strömung mit 2300 5 und 0,6
di Innendurchmesser des Rohres in m
l Rohrlänge in m
Näherungsgleichung
Das zuvor beschriebene Verfahren ist relativ komplex und aufwendig. Insbesondere bei veränderten Bedingungen, also bei veränderlichen Luft- oder Medienmengen, müssen für sämtliche Zustände die Wärmedurchgangskoeffizienten berechnet werden. Häufig wird in der Praxis vereinfacht mit einer konstanten k-Zahl gerechnet, was jedoch zu erheblichen Fehlern führt.
Aus diesem Grunde bietet sich ein Näherungsverfahren an, mit dem der Wärmedurchgangskoeffizient k leicht auf unterschiedliche Betriebsbedingungen umgerechnet werden kann. Dazu wird die ursprüngliche k-Zahl, die sich aus der Auslegung oder Messung ergibt, aufgrund der sich ändernden Luft- und Mediengeschwindigkeiten mit folgender Gleichung nach Kaup korrigiert:
kkorr umzurechnende k-Zahl in W/(m2 K)
korg ursprüngliche k-Zahl gemessen oder berechnet in W/(m2 K)
wL,korr Luftgeschwindigkeit im umzurechnenden Betriebszustand in m/s
wL,org ursprüngliche Luftgeschwindigkeit in m/s
wM,korr Mediengeschwindigkeit im umzurechnenden Betriebszustand in m/s
wM,org ursprüngliche Mediengeschwindigkeit im Rohr in m/s
Aufgrund umfangreicher Vergleichsberechnungen und Vergleichsmessungen kann die Gleichung im Bereich von 1,6 L,korr / wL,org) M,korr / wM,org) 5) zur Umrechnung von Temperaturänderungsgraden von Wärmerückgewinnungssystemen ab.
Vergleichsrechnung
Im Vergleich zu den Berechnungsalgorithmen im VDI-Wärmeatlas wird die Näherungsgleichung im Folgenden überprüft. Dazu wurde ein Kreislaufverbundsystem als gekoppelter Wärmeübertrager im Wirkungsgradoptimum ausgelegt. Im Zwischenkreis wurde der Wärmeübergang mit einer Sole (25 % Ethylenglykol, 75 % Wasser) berechnet. Es wurden folgende Geometrien berücksichtigt:
- s<sub>1</sub> = 37,5 mm und s<sub>2</sub> = 45 mm
- t<sub>r</sub> = 2,5 mm mit s = 0,25 mm
- d = 12 mm mit n > 4
Abb. 5 stellt die Ergebnisse der detaillierten Berechnung nach VDI-Wärmeatlas im Vergleich zu den Ergebnissen der Näherungsgleichung dar. Man erkennt, dass die Abweichung im Vergleich zur Umrechnung nach VDI-Wärmeatlas sehr gering ist und unter 1 % liegt. Unter Berücksichtigung einer konstanten Mediengeschwindigkeit im Rohr ergibt sich der Vergleich aus Abb. 6. Unter Berücksichtigung einer konstanten Luftgeschwindigkeit ergibt sich der Vergleich aus Abb. 7.
Abb. 6 und Abb. 7 zeigen, dass die Mediengeschwindigkeit innerhalb des Rohres einen größeren Fehler verursacht als die Änderungen auf der Luftseite des Wärmeübertragers. Insbesondere bei sehr geringen Mediengeschwindigkeiten hin zur laminaren Strömung vergrößert sich der Fehler maßgeblich. Dies ist vor allem aus der letzten Zeile in Abb. 7 ersichtlich. Bei laminarer Strömung im Rohr (Re
Fazit
Die Tabellenwerte in der Spalte kVDI zeigen, dass für eine Berechnung des Wirkungsgrads berippter Wasser/Luft-Wärmeübertrager schon bei leicht veränderten Betriebsbedingungen eine Neuberechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten k erforderlich ist.
Mit der dargestellten Näherungsgleichung kann der Wärmedurchgangskoeffizient k von berippten Wasser/Luft-Wärmeübertragern mit geringem Aufwand und genügender Genauigkeit auf veränderte Betriebsbedingungen umgerechnet werden. Die Abweichungen liegen innerhalb der Gültigkeitsgrenzen im Bereich von etwa ± 3 % und damit auf einem erstaunlich geringen Niveau.
Der große Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass die absoluten Geschwindigkeiten der Medien nicht zwingend bekannt sein müssen, um die Änderung der k-Zahl berechnen zu können. Es ist ausreichend, die relative Änderung der Geschwindigkeiten in die Näherungsgleichung einzusetzen. Somit kann ohne die detaillierte Kenntnis der Geometrien des Wärmeübertragers die Änderung der k-Zahl mit hoher Genauigkeit abgeschätzt werden. Es sollte aber darauf geachtet werden, dass die beiden Medienströme turbulent sind, da sonst eine höhere Abweichung zu dem tatsächlichen Wärmedurchgangskoeffizienten entstehen kann.
Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup
ist Honorarprofessor an der Hochschule Trier, Umweltcampus Birkenfeld für Energieeffizienz und Wärmerückgewinnung; Geschäftsführender Gesellschafter der Howatherm Klimatechnik GmbH, 55767 Brücken, http://www.howatherm.de; Mitglied in verschiedenen Normungsgremien, beispielsweise EN 13 779, EN 13 053, EN 16 798 und EN 1886 sowie Richtlinienausschüssen, beispielsweise VDI 6022 und VDI 3803.