Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul INLR berechnet den Wärmeübergang und den Druckverlust in innenberippten Rohren. Innenrippen – meist längs- oder schraubenförmig in die Rohrwand eingeformte Stege – vergrößern die wärmeübertragende Innenfläche und wirken teilweise als Turbulenzpromotoren; sie steigern damit den inneren Wärmeübergangskoeffizienten, erhöhen aber zugleich den Strömungswiderstand. Wer innenberippte Rohre berechnen will, muss beide Effekte gegeneinander abwägen.
Die Berechnung ermittelt den inneren Wärmeübergangskoeffizienten und den inneren Druckverlust in Abhängigkeit der Rohr- und Rippengeometrie, der Stoffwerte und der Strömungsbedingungen. Grundlage sind das Heat Exchanger Design Handbook (HEDH) und die Untersuchungen zur "Heat transfer performance of internally finned tubes in turbulent flow" (ASME, 18th National Heat Transfer Conference 1979), aus denen die bekannten Korrelationen für turbulent durchströmte Innenrippenrohre hervorgegangen sind.
Eingesetzt werden innenberippte Rohre überall dort, wo der rohrseitige Wärmeübergang die Auslegung begrenzt und der Bauraum knapp ist: in Verdampfern und Verflüssigern der Kältetechnik, in Ladeluft- und Ölkühlern sowie in kompakten Gas-Wärmeübertragern.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Heat-Exchanger-Design-Handbook, Hemisphere Publishing Corporation, New York 1983 'Heat transfer performance of internally finned tubes in turbulent flow'; Advances in Enhanced Heat Transfer Asme; 18. National heat transfer conference 6.-8.8.1979; New York 1979
So läuft die Berechnung ab
- Rohr- und Rippengeometrie festlegen: Beschrieben werden Kernrohrdurchmesser, Rippenanzahl, Rippenhöhe, Rippendicke und gegebenenfalls der Drallwinkel schraubenförmiger Rippen. Daraus ergeben sich der freie Strömungsquerschnitt, der benetzte Umfang, der hydraulische Durchmesser und das Flächenverhältnis zur Glattrohrinnenfläche.
- Temperaturen und Betriebsdaten eingeben: Eintritts- und Austrittstemperatur legen die mittlere Fluidtemperatur fest, bei der die Stoffwerte ausgewertet werden; zusätzlich werden die mittlere Wandtemperatur, der Druck und der Gesamtmassenstrom vorgegeben.
- Stoffwerte bereitstellen: Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, dynamische Viskosität und Prandtl-Zahl werden bei mittlerer Fluidtemperatur und zusätzlich bei Wandtemperatur benötigt – das Verhältnis der Werte korrigiert den Einfluss temperaturabhängiger Stoffwerte auf Wärmeübergang und Druckverlust.
- Strömungszustand bestimmen: Aus Massenstrom und freiem Querschnitt folgt die Strömungsgeschwindigkeit, mit dem hydraulischen Durchmesser die Reynolds-Zahl. Die hinterlegten Korrelationen gelten für turbulente Strömung; im laminaren Bereich fällt der Rippengewinn deutlich geringer aus.
- Wärmeübergang und Druckverlust berechnen: Die Nusselt-Zahl des Innenrippenrohres wird nach den geometrieerweiterten Korrelationen aus HEDH bzw. der ASME-Literatur bestimmt und in den inneren Wärmeübergangskoeffizienten umgerechnet; parallel liefert der zugehörige Reibungsbeiwert den inneren Druckverlust. Beide Ergebnisse gehen in die k-Wert- und Druckverlustbilanz des Apparats ein.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Eintrittstemperatur | ϑE | °C |
| Austrittstemperatur | ϑA | °C |
| Wandtemperatur | ϑW | °C |
| Druck | p | Pa |
| Dynamische Viskosität | η | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | ηW | mPa·s |
| Dichte | ρ | kg/m³ |
| Dichte | ρW | kg/m³ |
| Wärmeleitfähigkeit | λ | W/(m·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cp | J/(kg·K) |
| Prandtl-Zahl | Pr | - |
| Prandtl-Zahl | PrW | - |
| Grashof-Zahl | Gr | - |
| Gesamtmassenstrom | Gesamtmassenstrom | kg/s |
| Innendurchmesser der Rohre | d | m |
| Rohrlänge | l | m |
| Anzahl parallel durchströmter Rohre | n | - |
| Anzahl der Rippen pro Rohr | nRipp | - |
| Rippenhöhe | Hf | m |
| Rippendicke an der Rippenspitze | Tf | m |
| Rippendicke am Rippenfuß | Rf | m |
| Freier Strömungsquerschnitt | NFA | m² |
| Benetzter Umfang | Wp | m |
| Hydraulischer Durchmesser | dh | m |
Berechnungsoptionen
Eintrittstemperatur
Rohre mit geraden Rippen · Rohre mit spiralförmigen Rippen
Häufige Fragen
Wann lohnen sich Innenrippen gegenüber einem glatten Rohr?
Wenn der rohrseitige Wärmeübergangswiderstand dominiert und die Strömung turbulent ist – typisch bei Gasen, Ölen oder viskosen Medien im Rohr und gut übertragendem Medium außen. Die um 30 bis über 100 % vergrößerte Innenfläche und die Turbulenzanregung können den auf das Glattrohr bezogenen Wärmeübergang deutlich anheben. Bei rohrseitig ohnehin hohen Koeffizienten (z. B. Wasser bei hoher Geschwindigkeit) oder bei stark verschmutzenden Medien, die die Rippenkanäle zusetzen, überwiegen dagegen Mehrkosten und Druckverlust.
Mit welchem Durchmesser wird die Reynolds-Zahl im Innenrippenrohr gebildet?
Üblich ist der hydraulische Durchmesser d_h = 4·A/U aus freiem Strömungsquerschnitt A und benetztem Umfang U, der durch die Rippen kleiner ausfällt als der Kernrohrinnendurchmesser. Manche Korrelationen verwenden stattdessen einen äquivalenten Durchmesser oder beziehen sich auf das leere Rohr – die Definitionsbasis der jeweiligen Korrelation muss zwingend eingehalten werden, sonst entstehen systematische Fehler bei Nusselt-Zahl und Reibungsbeiwert. Das Modul verwendet die zur hinterlegten Korrelation konsistenten Bezugsgrößen.
Warum werden die Stoffwerte auch bei Wandtemperatur benötigt?
Bei Heizung oder Kühlung unterscheidet sich die Temperatur der wandnahen Schicht deutlich von der Kernströmung; insbesondere die Viskosität von Flüssigkeiten ändert sich dabei stark. Die Korrelationen korrigieren das über Verhältnisfaktoren wie (Pr/Pr_W) oder (η/η_W) mit Exponenten, die für Heizen und Kühlen verschieden sein können. Ohne diese Korrektur wird der Wärmeübergang beim Heizen viskoser Medien unterschätzt und beim Kühlen überschätzt.
Erhöhen Innenrippen die Verschmutzungsneigung?
Ja, potenziell. Die engen Kanäle zwischen den Rippen sind mechanisch schwer zu reinigen, und bei partikelhaltigen oder belagbildenden Medien können sich die Rippenzwischenräume zusetzen – der Flächengewinn geht dann verloren, während der Druckverlust weiter steigt. Innenberippte Rohre sollten deshalb sauberen Medien vorbehalten bleiben oder mit chemischer Reinigung kombinierbar sein; in der Auslegung ist ein realistischer rohrseitiger Fouling-Widerstand anzusetzen.