Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul HEAT berechnet die Kondensationswärme von Dampf-Gas-Gemischen inkrementell entlang des Abkühlwegs. Statt die freiwerdende Wärme pauschal aus einer mittleren Verdampfungsenthalpie abzuschätzen, wird der Kondensationsvorgang in Temperatur- bzw. Enthalpieschritte zerlegt: Für jedes Inkrement werden der auskondensierende Massenanteil, die freigesetzte latente und sensible Wärme sowie die Stoffwerte der verbleibenden Gas- und der entstehenden Kondensatphase bestimmt.
Gebraucht wird diese Q-T-Kurve (Wärmefreisetzungskurve) immer dann, wenn Dampf in Gegenwart von Inertgas kondensiert oder ein Mehrkomponentengemisch über einen Temperaturbereich hinweg vom Taupunkt bis zum Austrittszustand teilweise verflüssigt wird – typische Fälle sind Abgaskondensatoren, Brüdenkondensatoren mit Luftanteil und Prozesskondensatoren in der Verfahrenstechnik. Da sich Zusammensetzung, Dichte, Wärmekapazität, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit und Prandtl-Zahl beider Phasen entlang des Wegs stetig ändern, ist die inkrementale Betrachtung Voraussetzung für eine zonenweise Auslegung des Kondensators.
Das Modul arbeitet als Stoffdaten- und Bilanzlieferant im Hintergrund der Wärmeübertrager-Auslegung: Es übergibt je Inkrement die Zustands- und Stoffgrößen (Properties), mit denen die nachgeschaltete Wärmeübergangs- und Flächenberechnung abschnittsweise durchgeführt wird.
So läuft die Berechnung ab
- Gemisch und Endzustände definieren: Zusammensetzung des Dampf-Gas-Gemisches, Druck sowie Ein- und Austrittstemperatur werden festgelegt; daraus ergibt sich, ob und ab welcher Temperatur Kondensation einsetzt.
- Taupunkt bestimmen: Aus den Partialdrücken der kondensierbaren Komponenten wird der Taupunkt des Gemisches beim Betriebsdruck ermittelt – oberhalb davon wird nur sensible Wärme abgeführt, unterhalb beginnt die Teilkondensation.
- Abkühlweg in Inkremente zerlegen: Der Bereich vom Eintrittszustand bis zur Austrittstemperatur wird in Temperaturschritte unterteilt. Je Inkrement wird über das Phasengleichgewicht der auskondensierende Dampfanteil bilanziert.
- Wärme und Stoffwerte je Inkrement berechnen: Für jedes Inkrement werden latente Kondensationswärme, sensible Wärme von Gas- und Kondensatstrom sowie die Stoffwerte beider Phasen (Dichte, Wärmekapazität, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Prandtl-Zahl) beim jeweiligen Zustand ausgewertet.
- Q-T-Kurve übergeben: Die aufsummierten Wärmen ergeben die Wärmefreisetzungskurve über der Temperatur. Sie wird mit den zugehörigen Properties an die Kondensatorauslegung übergeben, die damit zonenweise Wärmedurchgang und Fläche berechnet.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Dateiname der Kondensationskurve | ('.tab') | - |
| Eintrittstemperatur Austrittstemperatur | ϑE ϑA | °C |
| Eintrittstemperatur Austrittstemperatur | ϑE ϑA | °C |
| Eintrittsdruck Austrittsdruck | pE pA | Pa |
| Eintrittsdruck Austrittsdruck | pE pA | Pa |
| Anzahl der Komponenten (max. 10 Komponenten) | i | - |
| Anzahl der Inkremente (max. 10 Inkremente) | N | - |
| ⇒ Temperaturintervallbreite | Δϑ | K (diff) |
| Nummer lokales Inkrement | n | - |
| ⇒ Mittlere Temperatur (n) | ϑm | °C |
| ⇒ Mittlerer Druck (n) | pm | Pa |
| ⇒ Eintrittstemperatur (n) | ϑEn | °C |
| ⇒ Austrittstemperatur (n) | ϑAn | °C |
| ⇒ Kondensatdampfmassenstrom (n) | Δm | kg/s |
| ⇒ Steigung der Kondensationskurve (n) | Δm/Δϑ | kg/(s·K) |
| Kondensatmolenbruch Komp. 1 (n) x1E | x1E | - |
| Kondensatmolenbruch Komp. 2 (n) x2E | x2E | - |
| Kondensatmolenbruch Komp. 3 (n) x3E | x3E | - |
| Kondensatmolenbruch Komp. 4 (n) x4E | x4E | - |
| Kondensatmolenbruch Komp. 5 (n) x5E | x5E | - |
| Kondensatmolenbruch Komp. 6 (n) x6E | x6E | - |
| Kondensatmolenbruch Komp. 7 (n) x7E | x7E | - |
| Kondensatmolenbruch Komp. 8 (n) x8E | x8E | - |
| Kondensatmolenbruch Komp. 9 (n) x9E | x9E | - |
Berechnungsoptionen
Properties
Berechnung der Stoffdaten · Handeingabe der mittl. Stoffdaten
Häufige Fragen
Warum reicht eine mittlere Verdampfungsenthalpie für die Kondensatorauslegung nicht aus?
Bei Gemischen und bei Dampf mit Inertgasanteil verläuft die Wärmefreisetzung über der Temperatur stark nichtlinear: Nahe dem Taupunkt kondensiert viel je Kelvin, am kalten Ende immer weniger, weil der Restdampf-Partialdruck sinkt. Eine lineare Mittelung überschätzt die treibende Temperaturdifferenz in den kritischen Zonen und führt zu unterdimensionierten Flächen – die inkrementale Q-T-Kurve deckt solche Engstellen (Pinch-Punkte) auf.
Welchen Einfluss hat Inertgas auf die Kondensation?
Inertgas senkt den Partialdruck des Dampfes und damit die örtliche Kondensationstemperatur; zusätzlich muss der Dampf durch das sich an der Kühlfläche anreichernde Inertgaspolster diffundieren. Beides verschlechtert den effektiven Wärmeübergang erheblich – schon wenige Prozent Inertgas können den Kondensator deutlich vergrößern. Die inkrementale Rechnung bildet die wachsende Inertgaskonzentration entlang des Wegs ab.
Was unterscheidet den Taupunkt vom Siedepunkt eines Gemisches?
Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der beim Abkühlen der erste Tropfen ausfällt; der Siedepunkt (Blasenpunkt) die, bei der beim Aufheizen die erste Blase entsteht. Bei Reinstoffen fallen beide zusammen, bei Gemischen liegt dazwischen das Zweiphasengebiet, in dem die Kondensation gleitend über einen Temperaturbereich erfolgt – genau dieser Bereich wird inkrementell durchgerechnet.
Wie fein müssen die Inkremente gewählt werden?
So fein, dass sich die Q-T-Kurve innerhalb eines Inkrements näherungsweise linear verhält. In Bereichen starker Krümmung – kurz unterhalb des Taupunkts und in der Nähe von Pinch-Punkten – sind engere Schritte nötig als im flachen Auslauf. Eine zu grobe Teilung glättet die Kurve und kann einen Temperatur-Pinch im Kondensator verdecken.