Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul MESK stellt die thermophysikalischen Stoffwerte eines Kühlmittels bereit: Dichte, spezifische Wärmekapazität, dynamische Viskosität, Wärmeleitfähigkeit und die daraus gebildete Prandtl-Zahl, jeweils unter Berücksichtigung des Phasenzustands. Diese Größen sind die Eingangsdaten praktisch jeder wärmetechnischen Rechnung – ohne konsistente Stoffwerte lassen sich weder Wärmeübergangskoeffizienten noch Druckverluste belastbar bestimmen.
In der Praxis wird das Modul als Stoffdaten-Baustein innerhalb umfassenderer Berechnungen eingesetzt, etwa bei der Auslegung von Kühlkreisläufen, Kühlmänteln oder Wärmeübertragern: Wer den Wärmeübergang eines Kühlmittels berechnen will, benötigt Prandtl-Zahl und Wärmeleitfähigkeit für die Nusselt-Korrelation sowie Dichte und Viskosität für die Reynolds-Zahl und den Druckverlust. Die Auswertung erfolgt beim jeweiligen Betriebszustand, sodass die Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte korrekt in die nachgelagerten Rechnungen eingeht.
So läuft die Berechnung ab
- Kühlmittel und Phasenzustand festlegen: Zunächst wird der Phasenzustand des Kühlmittels bestimmt, denn Stoffwertkorrelationen gelten immer nur für eine Phase; Flüssigkeit und Dampf/Gas unterscheiden sich in Dichte und Viskosität um Größenordnungen.
- Stoffwerte beim Betriebszustand auswerten: Für den vorgegebenen Zustand werden Dichte, spezifische Wärmekapazität, dynamische Viskosität und Wärmeleitfähigkeit des Kühlmittels aus den hinterlegten Korrelationen berechnet.
- Abgeleitete Kennzahlen bilden: Aus Viskosität, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit wird die Prandtl-Zahl Pr = η·cp/λ gebildet – die zentrale Stoffkennzahl für alle Wärmeübergangskorrelationen.
- Werte an die Hauptrechnung übergeben: Die Stoffwerte fließen in nachgelagerte Module ein, etwa zur Berechnung von Reynolds- und Nusselt-Zahl, Wärmeübergangskoeffizient und Druckverlust des Kühlkreislaufs.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Konsensator Übersicht anzeigen | – | – |
| Rohrspiegel Übersicht anzeigen | – | – |
| Bauform wählen | – | – |
| Rohrspiegel Typ | – | – |
| Variable 12 | – | – |
| Variable 13 | Ḋin | – |
| Variable 14 | pD,in | – |
| Variable 15 | pGuess | – |
| Variable 16 | TD,in | – |
| Variable 17 | – | – |
| Variable 18 | K̇F,in | – |
| Phasenzustand | – | – |
| Variable 20 | ṀCM | – |
| Variable 21 | pCM,in | – |
| Variable 22 | TCM,in | – |
| Kühlmittel | – | – |
| Spezifische Wärmekapazität Kühlmittel | cp,KM | – |
| Dynamische Viskosität Kühlmittel | ηKM | – |
| Prandtl-Zahl Kühlmittel | PrKM | – |
| Wärmeleitfähigkeit Kühlmittel | λKM | – |
| Rohraußendurchmesser | da | – |
| Rohrinnendurchmesser | di | – |
| Rohrteilung (quer) | s1 | – |
| Rohrteilung (längs) | s2 | – |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Kondensationsfläche | Akond | – |
| Druckverlust | ΔpD | – |
| Geschwindigkeit Eintritt | vD,ein | – |
| Geschwindigkeit Austritt | vD,aus | – |
| Geschwindigkeit im 1. Umlenkblech-Fenster | vD,Bl1 | – |
| Druckverlust | ΔpKM | – |
| Geschwindigkeit | vKM | – |
| Reynoldszahl | ReKM | – |
| Wärmeübergangszahl | αKM | – |
| Variable 69 | – | – |
| Variable 70 | – | – |
| Variable 71 | – | – |
| Variable 72 | – | – |
| Variable 73 | – | – |
| Variable 74 | – | – |
| Variable 75 | – | – |
| Variable 76 | – | – |
| Variable 77 | – | – |
| Variable 78 | – | – |
| Variable 79 | – | – |
| Variable 80 | – | – |
| Variable 81 | – | – |
| Variable 82 | – | – |
| Variable 83 | – | – |
Berechnungsoptionen
Bauform wählen
Typ 100 mantelseitiger Kondensator · Typ 100 mantelseitiger Kondensator "reverse" · Typ 200 rohrseitiger Kondensator · Typ 200 rohrseitiger Kondensator "reverse" · Typ 300 mantelseitiger Kondensator · Typ 320 mantelseitiger Kondensator "reverse" · Typ 400 rohrseitiger Kondensator · Typ 500 rohrseitiger Kondensator · Typ 1000 Platten-Kondensator
Rohrspiegel Typ
Eingängig (Typ 0) · Zweigängig (Typ 1) · Viergängig (übereinander, Typ 2)
Variable 17
Nein · Ja
Phasenzustand
gasförmig · flüssig
Kühlmittel
Wasser H2O · Ammoniak NH3 · Stickstoff N2 · Refrigerant 22 CHCLF2 · Refrigerant 134a C2H2F2 · Refrigerant 152a C2H2F2 · ATLAS "T-Oil" · Stoffdaten-Server · Eigene Eingabe
Zentralrohr?
Nein · Ja
Variable 217
Kreisrippen · Lamellen
Kühlmittelseitig
Vertikal aufwärts · Vertikal abwärts · Horizontal von links · Horizontal von rechts
Häufige Fragen
Bei welcher Temperatur sollen die Stoffwerte ausgewertet werden?
Üblich ist die Auswertung bei der mittleren Fluidtemperatur des betrachteten Abschnitts. Bei großen Temperaturdifferenzen zwischen Wand und Fluid verlangen viele Nusselt-Korrelationen zusätzlich einen Korrekturfaktor mit der Viskosität bzw. Prandtl-Zahl bei Wandtemperatur – dafür müssen die Stoffwerte gegebenenfalls zweimal ausgewertet werden.
Warum ist die Prandtl-Zahl für die Kühlmittelauswahl so wichtig?
Die Prandtl-Zahl beschreibt das Verhältnis von Impuls- zu Wärmetransport. Wasser (Pr ≈ 2–7) und wasserbasierte Gemische übertragen Wärme bei gleicher Strömung deutlich besser als hochviskose Öle (Pr bis in die Tausende); bei Gasen liegt Pr um 0,7. Über die Nusselt-Korrelation geht Pr direkt in den erreichbaren Wärmeübergangskoeffizienten ein.
Was ist bei Kühlmittelgemischen wie Wasser-Glykol zu beachten?
Zusätze verändern alle Stoffwerte gleichzeitig: Glykol senkt beispielsweise Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität und erhöht die Viskosität erheblich, besonders bei tiefen Temperaturen. Ein Frostschutzgemisch braucht daher bei gleicher Kühlleistung mehr Umwälzmenge und liefert schlechteren Wärmeübergang als reines Wasser – die Stoffwerte müssen für die tatsächliche Konzentration angesetzt werden.