Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul CIRC berechnet Wärmeübergang und Druckverlust im Mantelraum von Rohrbündelwärmeübertragern mit Kreisring-/Kreisscheiben-Umlenkung (disk-and-doughnut baffles). Bei dieser Bauart wechseln sich zentrale Kreisscheiben und ringförmige Umlenkbleche ab, sodass das mantelseitige Fluid abwechselnd radial nach außen und durch die zentrale Ringöffnung nach innen geführt wird — eine rotationssymmetrische Alternative zu segmentgeschnittenen Umlenkblechen.
Grundlage sind die Berechnungsansätze aus „Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden, Teil 1“ (VCH Weinheim). Aus Massenstrom, Stoffwerten wie Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und Prandtl-Zahl sowie der Geometrie von Mantel, Bündel, Kreisscheibe und Kreisring ermittelt das Modul den mantelseitigen Wärmeübergangskoeffizienten und den Druckverlust — beide Größen sind Voraussetzung jeder thermohydraulischen Auslegung. Die Rohrspiegeldaten lassen sich aus dem Modul SPIE übernehmen; für die Gesamtauslegung eines Wärmeübertragers ist CIRC in das Programmpaket WTS integrierbar.
In der Praxis wird die Kreisring-/Kreisscheiben-Umlenkung eingesetzt, wenn ein gleichmäßiges, totraumarmes Strömungsbild im Mantelraum gewünscht ist, etwa bei verschmutzungsempfindlichen Medien oder schwingungsgefährdeten Bündeln.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden, Teil 1, VCH Weinheim
So läuft die Berechnung ab
- Betriebsdaten und Stoffwerte vorgeben: Massenstrom oder Volumenstrom, Eintrittsdruck sowie Ein- und Austrittstemperatur des mantelseitigen Fluids werden erfasst. Die Stoffwerte Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und Prandtl-Zahl werden bei der mittleren Temperatur angesetzt; für die Wandkorrektur wird zusätzlich die dynamische Viskosität bei Wandtemperatur benötigt.
- Geometrie von Bündel und Umlenkung beschreiben: Innendurchmesser des Mantels, Bündeldurchmesser, Rohraußendurchmesser, Querteilung und Bündellänge definieren das Rohrfeld. Die Umlenkung wird über den Lochdurchmesser des Kreisrings, den Durchmesser der Kreisscheibe, den Abstand und die Anzahl der Umlenkbleche festgelegt.
- Strömungszonen und Geschwindigkeiten bestimmen: Das Modul teilt den Mantelraum in Längsstromzonen (um die Kreisscheibe und durch die Kreisringöffnung) und Querstromzonen auf. Aus den zugehörigen Flächen ergeben sich die Geschwindigkeit um die Kreisscheibe, die Geschwindigkeit in der Kreisringöffnung sowie die maßgebende Querströmungsgeschwindigkeit.
- Wärmeübergangskoeffizient berechnen: Über Reynolds- und Prandtl-Zahl werden Nusselt-Korrelationen für die quer und längs angeströmten Zonen ausgewertet und zu einem effektiven mantelseitigen Wärmeübergangskoeffizienten zusammengeführt. Die Wandkorrektur (η/η_W)^m berücksichtigt das Viskositätsverhältnis zwischen Kernströmung und Wand.
- Druckverlust ermitteln: Aus Widerstandsbeiwerten für Querströmungs- und Umlenkzonen, der Anzahl der Umlenkbleche und den Stutzendurchmessern an Ein- und Austritt wird der gesamte mantelseitige Druckverlust aufsummiert.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Gesamtdruckverlust: Δp = Δpq + Δpl + ΔpSt | Δp | Pa |
| Widerstandsbeiwert der Querströmung | ξq | - |
| Anzahl der Rohrreihen in Querstromzone mittel | nq | - |
| Dichte | ρ | kg/m³ |
| Querteilung | t | m |
| Außendurchmesser der Rohre | da | m |
| Reynolds-Zahl | Req = vq∙da/ν | - |
| Querströmungsgeschwindigkeit | vq = V/Aq | m/s |
| Kinematische Viskosität | ν | m²/s |
| Widerstandsbeiwert der Längsströmung | ξl | - |
| Dynamische Viskosität | η | mPa·s |
| Dynamische Viskosität bei Wandtemperatur | ηW | mPa·s |
| Abstand der Umlenkbleche | S | m |
| Anzahl der Umlenkbleche | N | - |
| Mittlere Geschwindigkeit in Leitblechöffnung | vl = V/Al | m/s |
| Druckverlust in der Querströmung | Δpq | Pa |
| Druckverlust in der Längsströmung | Δpl | Pa |
| Querströmungsfläche | Aq = LE∙S | m² |
| Exponent der Wandkorrektur (η/ηW)m | m | - |
| Lochdurchmesser im Kreisring | dR | m |
| Durchmesser der Kreisscheibe | dS | m |
| Anzahl der Rohre in Längsstromzone Kreisring | nR | - |
| Anzahl der Rohre in Längsstromzone Kreisscheibe | nd | - |
| Fläche der Längsstromzone durch Kreisring | AR | m² |
Berechnungsoptionen
Fluid flüssig / gasförmig?
flüssig · 1
Häufige Fragen
Wann sind Kreisring-/Kreisscheiben-Umlenkbleche segmentierten Umlenkblechen vorzuziehen?
Die disk-and-doughnut-Anordnung erzeugt eine rotationssymmetrische Strömung ohne die ausgeprägten Bypass- und Leckströme entlang der Segmentkante. Sie eignet sich, wenn ein gleichmäßiger Wärmeübergang über den Umfang, geringere Totzonen oder eine reduzierte Schwingungsanregung des Bündels gewünscht sind. Nachteilig sind die aufwendigere Fertigung und die schlechtere Entleerbarkeit/Belüftbarkeit des Mantelraums bei horizontalem Einbau.
Warum wird die Viskosität bei Wandtemperatur benötigt?
Bei beheizten oder gekühlten Wänden weicht die Viskosität in der wandnahen Grenzschicht von der der Kernströmung ab, was den Wärmeübergang messbar verändert. Die Korrelationen korrigieren dies mit dem Faktor (η/η_W)^m. Wird die Wandviskosität nicht gesetzt, entfällt die Korrektur — bei zähen Flüssigkeiten mit großen Temperaturdifferenzen kann das den Wärmeübergangskoeffizienten deutlich verfälschen.
Welche Geometriedaten sind erfahrungsgemäß die häufigste Fehlerquelle?
Die Zuordnung der Rohranzahlen zu den Strömungszonen: Die Anzahl der Rohre in der Längsstromzone der Kreisscheibe und in der Längsstromzone des Kreisrings sowie die mittlere Zahl der Rohrreihen in der Querstromzone müssen zum tatsächlichen Rohrspiegel passen. Inkonsistente Angaben führen zu falschen Strömungsflächen und damit zu falschen Geschwindigkeiten. Die Übernahme aus dem Rohrspiegelmodul SPIE vermeidet diese Fehler.
Berechnet CIRC auch die Rohrseite oder den Gesamtapparat?
Nein, CIRC behandelt ausschließlich den Außenraum (Mantelseite). Für den rohrseitigen Wärmeübergang und die Verknüpfung beider Seiten zu k-Wert, Fläche und Leistungsbilanz wird das Modul in das Programmpaket WTS eingebunden, das die Gesamtauslegung des Wärmeübertragers übernimmt.