Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul berechnet den Druckverlust bei der Queranströmung von Rohrbündeln aus berippten Kreis- oder Ovalrohren nach VDI-Wärmeatlas, Kapitel L1.4 (12. Auflage 2019). Rippenrohre werden immer dann eingesetzt, wenn auf der Außenseite ein Fluid mit schlechtem Wärmeübergang strömt – typischerweise Luft oder andere Gase in Luftkühlern, Verflüssigern, Trockenkühlern und Abgaswärmeübertragern. Die Rippen vergrößern die Austauschfläche, erhöhen aber zugleich den Strömungswiderstand des Bündels.
Wer den luftseitigen Druckverlust in einem Rippenrohrbündel berechnen will, muss neben Rohrdurchmesser und Teilung auch die Rippengeometrie berücksichtigen: Rippenhöhe, Rippendicke und Rippenteilung verändern den freien Strömungsquerschnitt und die überströmte Oberfläche und gehen deshalb in die Widerstandskorrelationen ein. Das Modul stellt die im VDI-Wärmeatlas dokumentierten Korrelationen für fluchtende und versetzte Anordnungen bereit.
Das Ergebnis ist die Grundlage für die Ventilatorauslegung: Der Druckverlust des Bündels bestimmt zusammen mit den übrigen Widerständen des Luftwegs den Betriebspunkt und damit die Antriebsleistung des Gebläses.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI-Wärmeatlas, 12. Auflage 2019
So läuft die Berechnung ab
- Rohr- und Rippengeometrie erfassen: Über die Rohrauswahl (V44) werden Kernrohrdurchmesser bzw. Ovalrohrabmessungen sowie Rippenhöhe, -dicke und -teilung festgelegt. Daraus ergeben sich der Verengungsgrad des Strömungsquerschnitts und das Flächenverhältnis von berippter zu glatter Oberfläche.
- Bündelanordnung festlegen: Quer- und Längsteilung sowie fluchtende oder versetzte Anordnung bestimmen den engsten freien Querschnitt zwischen den Rippenrohren und die Anzahl der Hauptwiderstände in Strömungsrichtung.
- Bezugsgeschwindigkeit und Reynolds-Zahl bilden: Aus dem Volumenstrom und dem engsten freien Querschnitt wird die maßgebende Geschwindigkeit berechnet; mit den Stoffwerten des Gases bei mittlerer Temperatur folgt die Reynolds-Zahl, bezogen auf den Kernrohrdurchmesser.
- Widerstandsbeiwert aus der Korrelation bestimmen: Die für Rippenrohrbündel gültige Korrelation liefert den Widerstandsbeiwert als Funktion von Reynolds-Zahl, Teilungsverhältnissen und Rippengeometrie; fluchtende und versetzte Anordnungen werden getrennt behandelt.
- Druckverlust des Bündels berechnen: Der Gesamtdruckverlust folgt aus Widerstandsbeiwert, Rohrreihenzahl und dynamischem Druck der Bezugsgeschwindigkeit; er geht direkt in die Auslegung des Ventilators bzw. der Saugzuganlage ein.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Temperatur (Eintritt) | Eintrittstemperatur | °C |
| Temperatur (Austritt) | Austrittstemperatur | °C |
| Mittlere Temperatur | Temperatur | °C |
| Mittlere Dichte | ρ | kg/m³ |
| Dynamische Viskosität | η | mPa·s |
| Gesamter Massenstrom | m | kg/s |
| Gesamter Volumenstrom | V | m³/s |
| Bündelanordnung fluchtend=1 versetzt=2 | versetzt=2 | - |
| Außendurchmesser Kernrohr | d | m |
| Rippendicke | s | m |
| Rippenteilung | t | m |
| Rippenhöhe | h | m |
| Rohre je Reihe | Nq | – |
| Anzahl der Rohrreihen | NR | - |
| Querteilung | s1 | m |
| Längsteilung | s2 | m |
| Rohrlänge | L | m |
| Querteilungsverhältnis | a | - |
| Längsteilungsverhältnis | b | - |
| Zwischengröße | c=f(a) c | - |
| Freier Querschnitt | A0 | m² |
| Engster Querschnitt | Ae | m² |
| Mittl. Geschwindigkeit in A0 | w0 | m/s |
| Mittl. Geschwindigkeit in Ae | we | m/s |
Berechnungsoptionen
Rohr
Beripptes Kreisrohrbündel · Beripptes Ovalrohrbündel
Häufige Fragen
Warum kann man den Druckverlust eines Rippenrohrbündels nicht mit den Glattrohrkorrelationen berechnen?
Die Rippen verengen den freien Querschnitt, erzeugen zusätzliche Reibungsfläche und verändern die Wirbelbildung im Nachlauf der Rohre. Der Widerstandsbeiwert hängt deshalb zusätzlich von Rippenhöhe, -dicke und -teilung ab. Glattrohrkorrelationen unterschätzen den Druckverlust von Rippenrohrbündeln in der Regel deutlich.
Welchen Vorteil bieten Ovalrohre gegenüber Kreisrohren?
Ovalrohre sind strömungsgünstiger: Der Nachlauf hinter dem Rohr ist kleiner, der Formwiderstand sinkt, sodass bei gleicher Wärmeleistung ein geringerer luftseitiger Druckverlust erreicht wird. Dem stehen höhere Fertigungskosten und eine geringere Druckfestigkeit des unrunden Querschnitts gegenüber.
Auf welche Geschwindigkeit ist der Widerstandsbeiwert bezogen?
Auf die Geschwindigkeit im engsten freien Querschnitt des berippten Bündels, in dem auch die Rippen den Querschnitt verengen. Wird versehentlich die Leerrohr-Anströmgeschwindigkeit eingesetzt, ergibt sich ein viel zu kleiner Druckverlust – eine der häufigsten Fehlerquellen bei Rippenrohrbündeln.
Berücksichtigt das Modul auch Verschmutzung der Rippenzwischenräume?
Die Korrelationen gelten für saubere Bündel. Ablagerungen in den Rippenzwischenräumen verengen den Querschnitt zusätzlich und können den Druckverlust im Betrieb erheblich erhöhen; hierfür ist ein anlagenspezifischer Zuschlag bzw. eine Verschmutzungsreserve bei der Ventilatorauslegung vorzusehen.