Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul AC dient der thermischen Auslegung von Rohrregisterübertragern — Wärmeübertragern mit rechteckigen Rohrbündeln, wie sie als Luftkühler, Lufterhitzer, Economiser, Register in Kanälen oder Heizschlangen im Anlagenbau weit verbreitet sind. Berechnungsgrundlage sind die anerkannten Korrelationen des VDI-Wärmeatlas sowie der Verfahrenstechnischen Berechnungsmethoden (VCH Weinheim).
Innerhalb und außerhalb der Rohre lassen sich unterschiedliche Medien aus einer umfangreichen Stoffdatenbank wählen — von Luft, Rauchgas, Wasser und Dampf über Thermoöle und Kältemittel bis zu Säuren, Laugen und Solen. Der Wärmeübergang kann einphasig gerechnet werden; zusätzlich werden Verdampfung (rohrseitig) und die Kondensation reiner Stoffe erfasst. Damit deckt das Modul auch Anwendungen wie Dampfregister, Verdampferschlangen und Abgaskondensation ab, einschließlich Taupunktbewertung und Wandtemperaturen.
Ergebnis der Berechnung sind die Wärmeübergangskoeffizienten beider Seiten, der Wärmedurchgangskoeffizient, die korrigierte logarithmische Temperaturdifferenz, Druckverluste sowie die Leistungsreserve der gewählten Übertragerfläche gegenüber der geforderten Wärmeleistung. So lässt sich ein Rohrregister-Wärmeübertrager berechnen, dimensionieren und nachrechnen.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden, Teil 1, VCH Weinheim & VDI Wärmeatlas
So läuft die Berechnung ab
- Geometrie des Rohrregisters festlegen: Eingegeben werden die Bündelabmessungen (waagrecht und senkrecht), die Bündellänge, Rohrdurchmesser, Rohrteilung und Anordnung (fluchtend/versetzt) sowie ggf. Berippung und Anzahl der rohrseitigen Durchgänge. Daraus ergeben sich Übertragerfläche und Strömungsquerschnitte.
- Medien und Betriebsdaten wählen: Für Rohrinnen- und Außenseite werden die Medien aus der Stoffdatenbank gewählt und Massenströme sowie Ein- und Austrittstemperaturen bzw. -drücke vorgegeben. Die Stoffwerte (Dichte, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Prandtl-Zahl) werden temperaturabhängig ausgewertet; die geforderte Wärmeleistung wird als Sollwert gesetzt.
- Wärmeübergang beider Seiten berechnen: Mit den Nusselt-Korrelationen des VDI-Wärmeatlas werden die Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt: rohrseitig für laminare bis turbulente Rohrströmung, gegebenenfalls mit Strömungssieden bei Verdampfung; außenseitig für die quer angeströmte Rohrreihe bzw. das Bündel, bei Reinstoffdampf mit Filmkondensation. Die zugehörigen Reynolds-Zahlen und Wandtemperaturen (kleinste, mittlere, größte) werden ausgewiesen.
- Wärmedurchgang und Temperaturdifferenz bilden: Aus beiden Wärmeübergangskoeffizienten, der Rohrwand und den Fouling-Widerständen folgt der Wärmedurchgangskoeffizient. Die logarithmische Temperaturdifferenz wird mit dem Korrekturfaktor für die tatsächliche Stromführung (Kreuz-/Gegenstrom, Pässe) korrigiert.
- Leistungsabgleich und Druckverlust: Die übertragbare Leistung k·A·ΔTlog,korr wird der Soll-Wärmeleistung gegenübergestellt; als Ergebnis erscheinen Leistungszahl und Leistungsreserve der Übertragerfläche. Parallel werden die Druckverluste beider Seiten sowie der Einfluss der Verschmutzung berechnet, sodass Ventilator bzw. Pumpe ausgelegt werden können.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Fouling-Faktor Fouling-Faktor | innen | m²·K/W |
| Fouling-Faktor Fouling-Faktor | aussen | m²·K/W |
| Volumenstrom ein | aussen | m³/s |
| Dampfvolumenstrom (Austritt) | Austritt | m³/s |
| Volumenstrom flüssig (Austritt) | Austritt | m³/s |
| Dichte (Eintritt) | aussen | kg/m³ |
| Dichte (Austritt) | aussen | kg/m³ |
| Dampfdichte | innen | kg/m³ |
| Dampfvolumenstrom | Eintritt | m³/s |
| Geschwindigkeit (Eintrittsstutzen) | innen | m/s |
| Geschwindigkeit (Austrittsstutzen) | innen | m/s |
| Anzahl der Rohre gesamt | Ntotal | - |
| Rohrdurchmesser außen | DRA | m |
| Teilung quer zur Strömungsrichtung | s1 | m |
| Teilung in Strömungsrichtung | s2 | m |
| Teilung für teilversetztes Bündel | s3 | m |
| Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials | λG | W/(m·K) |
| Wärmeleitfähigkeit des Rippenmaterials | λR | W/(m·K) |
| Außendurchmesser Rippe | D | m |
| Dicke der Rippe | s1 | m |
| Dicke am Rippenfuß | s2 | m |
| Anströmquerschnitt | F | m² |
| Aus | (aussen) | kg/kg |
| Rohr-Anordnung | Teilungsart | – |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Druckverlust Druckverlust | - - | - |
| Wärmedurchgangs- Koeffizient | k | W/(m²·K) |
| Logarithmische Temperaturdifferenz | dT_log' | K (diff) |
| Leistungsreserve Übertragerfläche | A_a | m² |
| bei Reynolds | innen | - |
| Wärmeübergangs- Koeffizient Wärmeübergangs- Koeffizient | α α | W/(m²·K) |
| bei Reynolds bei Reynolds | aussen | - |
| Leistungszahl | VZ | - |
| Lüfterleistung | Lüfterleistung | W |
| Wärmeleistung Soll | Q_soll | kW |
| Wärmeübergangs- Koeffizient Wärmeübergangs- Koeffizient | α α | W/(m²·K) |
| Logarithmische Temperaturdifferenz korrigiert | dT_log | K (diff) |
| Korrekturfaktor | dT_log | - |
| Wärmeübergang Wärmeübergang | - - | - |
| Mittlere Wandtemperatur Mittlere Wandtemperatur | T_Wi | °C |
| Mittlere Wandtemperatur Mittlere Wandtemperatur | T_Wa | °C |
| Lüfteranordnung | Lüfteranordnung | - |
| Fouling-Faktor Δp | - - | - |
| Leistungsreserve Übertragerfläche | Leistungsreserve | % |
| Kleinste Wandtemperatur Kleinste Wandtemperatur | innen | °C |
| Größte Wandtemperatur Größte Wandtemperatur | innen | °C |
| Kleinste Wandtemperatur Kleinste Wandtemperatur | aussen | °C |
| Größte Wandtemperatur Größte Wandtemperatur | aussen | °C |
| Wandtemperatur | - | - |
Berechnungsoptionen
Rohr-Anordnung
fluchtend · versetzt · teilversetzt
Rohrtyp
Geradrohr · U-Rohr
Strömungsführung
Kreuzgegenstrom · Kreuzgleichstrom
Häufige Fragen
Wann reicht die einphasige Berechnung, wann muss ich Verdampfung oder Kondensation ansetzen?
Einphasig gerechnet wird, solange das Medium im gesamten Apparat ohne Phasenwechsel bleibt — auch bei starker Temperaturänderung. Sobald ein Reinstoffdampf unter seine Sattdampftemperatur abgekühlt wird, ist Kondensation anzusetzen; sobald eine Flüssigkeit in den Rohren die Siedetemperatur erreicht, Verdampfung. Das Modul berechnet Verdampfung nur rohrseitig und Kondensation für Reinstoffe; Gemischkondensation mit gleitendem Taupunkt oder Inertgasanteilen ist nur näherungsweise abbildbar und sollte konservativ bewertet werden.
Was sagt die Leistungsreserve der Übertragerfläche aus?
Sie gibt an, um wie viel Prozent die installierte Fläche größer ist als die für die Soll-Leistung rechnerisch erforderliche Fläche. Eine Reserve deckt Unsicherheiten der Korrelationen, Stoffwertstreuungen und fortschreitende Verschmutzung ab. Üblich sind je nach Anwendung 10 bis 25 %; eine sehr große Reserve kann bei Verdampfern allerdings zu Regel- und Stabilitätsproblemen führen und ist kein Qualitätsmerkmal an sich.
Warum werden kleinste und größte Wandtemperatur ausgewiesen?
Die Wandtemperatur entscheidet über mehrere Auslegungsrisiken: Bei Rauchgasen darf die kleinste Wandtemperatur den Säure- bzw. Wassertaupunkt nicht unterschreiten (Korrosionsgefahr), bei Thermoölen und Produkten mit Zersetzungsneigung darf die größte Wandtemperatur die zulässige Filmtemperatur nicht überschreiten. Außerdem gehen Wandtemperaturen in die Stoffwertkorrekturen der Nusselt-Korrelationen und in die Blasensiede-Bewertung ein.
Wie geht Verschmutzung (Fouling) in die Berechnung ein?
Fouling wird als zusätzlicher Wärmeleitwiderstand auf einer oder beiden Seiten des Wärmedurchgangs berücksichtigt und reduziert den Wärmedurchgangskoeffizienten. Zusätzlich verengen Beläge den Strömungsquerschnitt und erhöhen den Druckverlust — das Modul weist deshalb auch den Fouling-Einfluss auf Δp aus. Die Ansatzwerte sollten aus Betriebserfahrung oder Standardtabellen (z. B. TEMA) stammen und nicht pauschal maximiert werden, da überhöhte Fouling-Widerstände zu unnötig großen Apparaten führen.