Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul SaWa berechnet die Stoffwerte von Meerwasser in Abhängigkeit von Temperatur und Salzgehalt nach dem Heat Exchanger Design Handbook (HEDH, Part 5: Physical Properties, Begell House 1998). Ausgegeben werden Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, dynamische und kinematische Viskosität, Prandtl-Zahl, Temperaturleitfähigkeit und thermischer Ausdehnungskoeffizient. Der Gültigkeitsbereich erstreckt sich über Temperaturen von 0 bis 180 °C und Salzgehalte von 0 bis 150 g/kg.
Meerwasser-Stoffwerte berechnen zu können, ist Grundlage für die Auslegung von meerwassergekühlten Wärmeübertragern und Kondensatoren in Kraftwerken und Raffinerien, von Entsalzungsanlagen (MSF- und MED-Verdampfer, Vorwärmer von Umkehrosmoseanlagen) sowie von Rohrleitungen und Pumpen im Kühlwassersystem. Der Salzgehalt verändert gegenüber reinem Wasser vor allem Dichte und Wärmekapazität und geht damit direkt in Wärmebilanzen, Wärmeübergangs- und Druckverlustrechnungen ein.
Der weite Salzgehaltsbereich bis 150 g/kg deckt neben normalem Ozeanwasser (rund 35 g/kg) auch die aufkonzentrierte Sole in Verdampfungs-Entsalzungsanlagen ab — dort steigen Viskosität und Siedepunkterhöhung mit der Aufkonzentrierung merklich an.
Regelwerk und Berechnungsbasis: G.F. Hewitt, Heat Exchanger Design Handbook (HEDH), Part 5, Physical Properties, 1998, Begell House Inc., New York
So läuft die Berechnung ab
- Zustand vorgeben: Eingegeben werden Temperatur (0 bis 180 °C) und Salzgehalt (0 bis 150 g/kg). Das Modul prüft die Einhaltung des Gültigkeitsbereichs der HEDH-Korrelationen.
- Dichte und Wärmekapazität: Dichte und spezifische Wärmekapazität werden als Funktion von Temperatur und Salinität berechnet: Die Dichte liegt über, die Wärmekapazität unter dem Wert reinen Wassers — beides proportional zunehmend mit dem Salzgehalt.
- Transportgrößen: Wärmeleitfähigkeit sowie dynamische und kinematische Viskosität werden salinitäts- und temperaturabhängig ermittelt; die Viskosität steigt mit dem Salzgehalt und fällt stark mit der Temperatur.
- Abgeleitete Kennzahlen: Aus den Grundgrößen bildet das Modul Prandtl-Zahl, Temperaturleitfähigkeit und thermischen Ausdehnungskoeffizienten — die Eingangsgrößen für Wärmeübergangskorrelationen und Naturkonvektionsrechnungen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Temperatur | ϑ | °C |
| Temperatur | ϑ | °C |
| Salzgehalt | x | g/kg |
| Salzgehalt | x | g/kg |
| Dichte | ρ | kg/m³ |
| Dichte | ρ | kg/m³ |
| Spezifische Wärmekapazität | cp | J/(kg·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cp | J/(kg·K) |
| Wärmeleitfähigkeit | λ | W/(m·K) |
| Wärmeleitfähigkeit | λ | W/(m·K) |
| Dynamische Viskosität | η | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | η | mPa·s |
| Kinematische Viskosität | ν | m²/s |
| Kinematische Viskosität | ν | m²/s |
| Prandtl-Zahl | Pr | - |
| Prandtl-Zahl | Pr | - |
| Temperaturleitfähigkeit | a | m²/s |
| Temperaturleitfähigkeit | a | m²/s |
| Therm. Ausdehnungskoeffizient | β | 1/K |
| Therm. Ausdehnungskoeffizient | β | 1/K |
Häufige Fragen
Reicht es nicht, mit den Stoffwerten von reinem Wasser zu rechnen?
Für überschlägige Rechnungen bei normalem Meerwasser (35 g/kg) sind die Abweichungen moderat: Die Dichte liegt knapp 3 % höher, die Wärmekapazität rund 4 bis 5 % niedriger als bei Süßwasser. In Wärmebilanzen kompensieren sich Fehler nicht unbedingt — wer den Kühlwassermassenstrom aus einer Wärmeleistung bestimmt, macht mit Süßwasserwerten bereits einen systematischen Fehler von einigen Prozent. Bei aufkonzentrierter Sole in Entsalzungsanlagen werden die Abweichungen deutlich größer und sind nicht mehr vernachlässigbar.
Was bedeutet der Salzgehalt in g/kg genau?
Die Salinität gibt die Masse gelöster Salze pro Kilogramm Meerwasser an (entspricht Promille Massenanteil). Standard-Ozeanwasser hat etwa 35 g/kg; Randmeere weichen ab — die Ostsee liegt teils unter 10 g/kg, der Arabische Golf über 40 g/kg, und in MSF-Verdampfern wird die Sole betriebsmäßig bis etwa 70 g/kg und darüber aufkonzentriert. Der Auslegungswert sollte den tatsächlichen Standort- bzw. Prozesswert verwenden, nicht pauschal 35 g/kg.
Deckt das Modul auch Sieden und Siedepunkterhöhung ab?
Das Modul liefert die einphasigen Flüssigkeitsstoffwerte bis 180 °C. Für Verdampferauslegungen wird zusätzlich die Siedepunkterhöhung der Salzlösung gegenüber reinem Wasser benötigt, die mit Salzgehalt und Temperatur wächst und die treibende Temperaturdifferenz je Stufe reduziert; sie ist gesondert zu berücksichtigen.
Warum ist der Temperaturbereich bis 180 °C begrenzt?
Die HEDH-Korrelationen sind an Messdaten bis in diesen Bereich angepasst, der die Spitzentemperaturen thermischer Entsalzungsanlagen (Top Brine Temperature typischerweise 90 bis 120 °C) sicher einschließt. Oberhalb davon fehlt die Datenbasis; zudem begrenzen in realen Anlagen Kalk- und Sulfat-Scaling die Solentemperatur weit vor der Korrelationsgrenze.