Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul PLRE bewertet die Warmluft-Rezirkulation an luftgekühlten Wärmeübertragern. Bei Luftkühlern und Rückkühlwerken kann ein Teil der erwärmten Abluft wieder in den Ansaugquerschnitt gelangen – etwa bei ungünstiger Windrichtung, zu geringer freier Aufstellhöhe oder eng benachbarten Kühlerfeldern. Die dadurch erhöhte Eintrittstemperatur der Kühlluft verringert die treibende Temperaturdifferenz und damit die übertragbare Wärmeleistung.
Ausgehend von der freien Höhe des Wärmeübertragers, der Geometrie der Luftleiteinrichtung (Höhe und halber Durchmesser) und dem Anströmquerschnitt wird der Auftrieb der warmen Abluft aus der Dichtedifferenz zwischen Luftein- und Luftaustritt bestimmt. Aus Luftvolumenstrom und Austrittsgeschwindigkeit ergibt sich, wie sicher die Warmluftfahne vom Ansaugbereich ferngehalten wird. Als Ergebnis stellt das Modul die Wärmeleistung ohne Rezirkulation der Wärmeleistung mit Rezirkulation gegenüber und weist den Leistungsverlust aus.
Wer die Rezirkulation berechnen will, braucht diese Abschätzung vor allem in der Aufstellungsplanung von Luftkühlern im Anlagenbau: Sie zeigt früh, ob eine Luftleiteinrichtung (Diffusor, Kamin) erhöht oder der Abstand zu Nachbarbauwerken vergrößert werden muss, bevor teure Minderleistungen im Betrieb auftreten.
So läuft die Berechnung ab
- Geometrie und Aufstellung erfassen: Freie Höhe des Wärmeübertragers, Höhe der Luftleiteinrichtung, halber Durchmesser der Luftleiteinrichtung und Anströmquerschnitt werden als geometrische Randbedingungen der Aufstellung eingegeben.
- Dichteverhältnisse der Luft bestimmen: Aus den Temperaturen am Ein- und Austritt ergeben sich die Luftdichte am Eintritt und am Austritt; ihre Dichtedifferenz ist die treibende Größe für den thermischen Auftrieb der Warmluftfahne.
- Austrittsimpuls berechnen: Aus dem Luftvolumenstrom am Austritt und dem Austrittsquerschnitt folgt die Luftaustrittsgeschwindigkeit. Sie bestimmt zusammen mit dem Auftrieb, wie weit die Abluft über die Ansaugebene hinausgetragen wird.
- Rezirkulationsanteil bewerten: Aus dem Verhältnis von Austrittsimpuls, Auftrieb und Aufstellgeometrie wird der rückgesaugte Warmluftanteil und daraus die erhöhte effektive Ansaugtemperatur abgeschätzt.
- Leistungsvergleich ausweisen: Über die Effektivität des Wärmeübertragers werden die Wärmeleistung ohne Rezirkulation und die Wärmeleistung mit Rezirkulation berechnet; die Differenz erscheint als Leistungsverlust durch Rezirkulation.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Freie Höhe des Wärmeübertragers | H | m |
| Höhe der Luftleiteinrichtung | HW | m |
| Halber Durchmesser der Luftleiteinrichtung | W | m |
| Anströmquerschnitt | F | m² |
| Luftdichte am Eintritt | ρe | kg/m³ |
| Luftdichte am Austritt | ρa | kg/m³ |
| Dichtedifferenz | Δρ | kg/m³ |
| Luftvolumenstrom am Austritt | Va | m³/s |
| Luftaustrittsgeschwindigkeit | va | m/s |
| Wärmeleistung ohne Rezirkulation | Qist | kW |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Effektivität | eR | - |
| Wärmeleistung mit Rezirkulation | Qist;R | kW |
| Leistungverlust durch Rezirkulation | Rezirkulation | % |
Häufige Fragen
Wann ist die Rezirkulationsgefahr bei Luftkühlern besonders hoch?
Kritisch sind geringe Austrittsgeschwindigkeiten (schwacher Impuls der Abluftfahne), kleine Temperatur- bzw. Dichtedifferenzen zwischen Ab- und Umgebungsluft, niedrige Luftleiteinrichtungen sowie Seitenwind, der die Fahne in den Ansaugbereich drückt. Auch mehrere dicht nebeneinander aufgestellte Kühlerfelder saugen sich gegenseitig Warmluft zu.
Warum senkt Rezirkulation die Wärmeleistung so stark?
Die rückgesaugte Warmluft erhöht die Kühllufteintrittstemperatur. Da die übertragene Leistung proportional zur treibenden Temperaturdifferenz zwischen Prozessmedium und Kühlluft ist, geht schon eine Anhebung der Ansaugtemperatur um wenige Kelvin bei knapp ausgelegten Kühlern direkt als Minderleistung in die Bilanz ein – im Sommerfall kann der Auslegungspunkt dann nicht mehr erreicht werden.
Welche konstruktiven Gegenmaßnahmen lassen sich mit dem Modul bewerten?
Vor allem die Erhöhung der Luftleiteinrichtung (Austrittskamin/Diffusor) und die Vergrößerung der Austrittsgeschwindigkeit: Beides vergrößert Impuls und Abwurfhöhe der Warmluftfahne. Über die Geometriegrößen lässt sich der Effekt einer geänderten freien Höhe oder eines anderen Anströmquerschnitts direkt im Leistungsvergleich ablesen.