Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul KOND berechnet Rohrbündel-Kondensatoren für reine Dämpfe nach den Verfahren des VDI-Wärmeatlas. Ein Kondensator lässt sich dabei in bis zu drei Zonen unterteilen: die Enthitzungszone, in der überhitzter Dampf auf Sattdampftemperatur abgekühlt wird, die eigentliche Kondensationszone mit Filmkondensation und die Unterkühlungszone, in der das Kondensat unter die Siedetemperatur abgekühlt wird. Für jede Zone werden Wärmeübergang, Fläche und Druckverlust getrennt bilanziert.
Kondensatoren berechnen muss, wer Dampfturbinen-Abdampf niederschlägt, Brüden aus Verdampfern oder Kolonnen kondensiert, Kältemittelverflüssiger auslegt oder Prozessdämpfe zurückgewinnt. Das Modul deckt sowohl die Kondensation im Mantelraum an horizontalen oder vertikalen Rohren als auch die Kondensation im Rohrinneren ab; das Kühlmedium strömt auf der jeweils anderen Seite. Bei mantelseitiger Kondensation an horizontalen Rohren wird die Kondensatunterkühlung nicht mitberechnet, da das Kondensat dort abtropft und die Rohre nur kurz benetzt.
Der Geltungsbereich ist bewusst abgegrenzt: Es werden nur reine Stoffe behandelt – bei Gemischen verschiebt sich die Kondensationstemperatur entlang der Taulinie, und Diffusionswiderstände mindern den Wärmeübergang, was gesonderte Verfahren erfordert. Ebenso ist die Berechnung auf Kondensatoren mit einem rohrseitigen Durchgang beschränkt.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI Wärmeatlas
So läuft die Berechnung ab
- Aufgabenstellung und Bauform festlegen: Definiert werden Dampfstoffstrom, Eintrittszustand (gesättigt oder überhitzt), Betriebsdruck sowie die Bauform: Kondensation im Mantelraum an horizontalen oder vertikalen Rohren oder Kondensation im Rohrinneren. Dazu kommen Rohrbündelgeometrie mit Rohrdurchmesser, Rohrteilung, Umlenkblechen und die Kühlwasserdaten.
- Wärmebilanz und Zoneneinteilung: Aus den Stoffströmen und Zuständen werden die Wärmeleistungen der Zonen bestimmt: Enthitzung des überhitzten Dampfes, Kondensationsenthalpie bei Sättigungstemperatur und gegebenenfalls Unterkühlung des Kondensats. Jede Zone erhält ihre eigene mittlere Temperaturdifferenz zum Kühlmedium.
- Wärmeübergang Kondensationsseite berechnen: In der Kondensationszone wird der Filmkondensations-Wärmeübergangskoeffizient nach Nusselt'scher Wasserhauttheorie mit den Erweiterungen des VDI-Wärmeatlas berechnet: bei horizontalen Bündeln mit dem Einfluss des von Rohrreihe zu Rohrreihe ablaufenden Kondensats und der Dampf-Schubspannung, bei Rohrinnenkondensation mit strömungsabhängigen Ansätzen für Film- und Schichtenströmung.
- Wärmeübergang Kühlmittelseite und Wärmedurchgang: Auf der Kühlmittelseite wird der Wärmeübergang bei erzwungener Konvektion im Rohr bzw. im umlenkblechgeführten Mantelraum bestimmt. Zusammen mit Wandwiderstand und Verschmutzungswiderständen ergibt sich der Wärmedurchgangskoeffizient jeder Zone.
- Flächenbedarf und Druckverluste ermitteln: Aus Wärmeleistung, Wärmedurchgangskoeffizient und mittlerer Temperaturdifferenz folgt der Flächenbedarf je Zone; die Summe wird der vorhandenen Austauschfläche gegenübergestellt. Parallel werden die Druckverluste beider Seiten berechnet – dampfseitig wichtig, weil der Druckabfall die Sättigungstemperatur und damit das treibende Gefälle senkt.
- Nachrechnung und Bewertung: Die Auslegung wird iterativ geprüft: Flächenreserve, Kondensataustrittszustand, Kühlwasseraufwärmung und Strömungsgeschwindigkeiten müssen in zulässigen Bereichen liegen. Bei Bedarf werden Rohrzahl, Rohrlänge oder Umlenkblechteilung angepasst.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Massenstrom | mi ma | kg/s |
| Massenstrom | mi ma | kg/s |
| Kondensationstemperatur | ϑS,i ϑS,a | °C |
| Kondensationstemperatur | ϑS,i ϑS,a | °C |
| Dichte | ρi ρa | kg/m³ |
| Dichte | ρi ρa | kg/m³ |
| Spezifische Wärmekapazität | cpi cpa | J/(kg·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cpi cpa | J/(kg·K) |
| Eintrittstemperatur | ϑei ϑea | °C |
| Austrittstemperatur | ϑai ϑaa | °C |
| Eintrittstemperatur | ϑei ϑea | °C |
| Austrittstemperatur | ϑai ϑaa | °C |
| Leistung | Qi Qa | W |
| Leistung | Qi Qa | W |
| Verlustwärme | Qv | W |
| Wärmeübergangskoeffizient (innen) | αi | W/(m²·K) |
| Wärmeübergangskoeffizient (außen) | αa | W/(m²·K) |
| Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials | λ | W/(m·K) |
| Gesamter Foulingwiderstand | f | m²·K/W |
| Erforderliche Übertragerfläche | A | m² |
| Log. mittl. Temperaturdifferenz (LMTD) | Δϑ | K (diff) |
| Wärmedurchgangszahl | k | W/(m²·K) |
| Rohraußendurchmesser Rohrwanddicke | da si | m |
| Rohrinnendurchmesser | di | m |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Rohrzahl | N | - |
| Gerade Rohrlänge der U-Rohre | l la | m |
| Übertragerfläche | A Aa | m² |
| Übertragerfläche | A Aa | m² |
| Gerade Rohrlänge der U-Rohre | l la | m |
| Übertragerfläche | A Aa | % |
| Anzahl der Rohre U-Rohre | N | – |
Berechnungsoptionen
Keine Rohre in den Fenstern
Nein · Ja
Gegenstrom / Gleichstrom?
Gegenstrom · Gleichstrom
Häufige Fragen
Warum ist das Verfahren auf reine Dämpfe beschränkt?
Bei einem Reinstoff kondensiert der Dampf bei konstanter Sättigungstemperatur, und der Wärmeübergang wird allein vom Kondensatfilm bestimmt. Bei Gemischen sinkt die Kondensationstemperatur entlang der Taulinie, und vor der Phasengrenze baut sich eine an Leichtsiedern bzw. Inertgas angereicherte Diffusionsschicht auf, die den Wärmeübergang erheblich verschlechtert. Solche Fälle erfordern gekoppelte Wärme- und Stoffübertragungsverfahren (z. B. nach Silver/Bell-Ghaly) und liegen außerhalb dieses Moduls.
Warum wird bei mantelseitiger Kondensation an horizontalen Rohren keine Unterkühlung berechnet?
Das Kondensat läuft an horizontalen Rohren als Film ab und tropft von Rohr zu Rohr; es sammelt sich am Behälterboden, ohne definiert an gekühlten Flächen entlangzuströmen. Eine gezielte Unterkühlung wäre nur mit konstruktiven Maßnahmen wie einem gefluteten Rohrfeld oder separatem Nachkühler erreichbar. Deshalb weist das Verfahren die Unterkühlung in dieser Bauform nicht aus.
Welche Wirkung haben schon kleine Inertgasanteile im Dampf?
Inertgase reichern sich an der Phasengrenze an und bilden eine Diffusionssperre, durch die der Dampf zur kalten Wand diffundieren muss. Bereits wenige Volumenprozent nicht kondensierbarer Gase können den Wärmeübergangskoeffizienten auf einen Bruchteil reduzieren. In der Praxis sind daher Entlüftungsanschlüsse an den Stellen der Inertgasanreicherung vorzusehen; die Auslegung als reiner Dampf gilt nur für gut entlüftete Systeme.
Warum ist der dampfseitige Druckverlust bei Kondensatoren besonders kritisch?
Der Druckabfall senkt den Sättigungsdruck und damit die Kondensationstemperatur entlang des Strömungswegs; das treibende Temperaturgefälle zum Kühlmittel schrumpft. Bei Vakuumkondensatoren kann ein scheinbar moderater Druckverlust von wenigen Millibar mehrere Kelvin Sättigungstemperatur kosten und die benötigte Fläche deutlich vergrößern. Deshalb werden Kondensatoren dampfseitig mit großen Einströmquerschnitten und geringen Geschwindigkeiten ausgeführt.
Was bedeutet die Beschränkung auf einen rohrseitigen Durchgang?
Das Berechnungsmodell bildet die Temperaturverläufe und Zonengrenzen für einen einzigen rohrseitigen Pass ab. Mehrgängige Apparate erzeugen auf der Rohrseite wechselnde Gegen- und Gleichstromabschnitte, deren Zonenzuordnung bei gleichzeitiger Kondensation im Mantelraum nicht mehr eindeutig mit diesem Ansatz beschrieben werden kann. Für mehrgängige Kondensatoren sind erweiterte Zellenmodelle erforderlich.