Doppelrohr-Wärmetauscher

Eine typische Aufgabe bei der Entwicklung von Wärmetauschern ist folgende: „Wir haben eine Flüssigkeit A mit einem bestimmten Volumenstrom, die von einer bestimmten Eintrittstemperatur auf eine bestimmte Austrittstemperatur erhitzt oder abgekühlt werden soll. Eine zweite Flüssigkeit B hat einen maximalen Volumenstrom von V und eine bestimmten Eintrittstemperatur. Wie muss der Wärmetauscher gestaltet sein?“.

Die erste und einfachste Methode ist die Verwendung analytischer Modelle. Es gibt verschiedene analytische Formeln für die Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten oder der Gestaltung des Wärmetauschers. Aber diese Formeln beruhen auf bestimmten idealisierten Bedingungen, woraus ein Design mit großen Sicherheitsfaktoren folgt.

Mit Hilfe von numerischen Computermodellen (CFD = computational fluid dynamics, numerische Strömungsmechanik) kann die thermische Auslegung von Wärmetauschern unter Beachtung von Länge und Größe der wärmeübertragenden Fläche optimiert werden, woraus geringere Materialkosten folgen. Außerdem können die Ablaufparameter optimiert werden, z.B. aus minimalem Volumenstrom von Flüssigkeit B folgen minimaler Energieverbrauch und reduzierte Betriebskosten.

In der numerischen Simulation können Flüssigkeiten und Feststoffe modelliert werden. Zusätzlich können Rahmenbedingungen berücksichtigt werden, z.B. freie Konvektion. Zusammen mit dem Strömungsfeld (Geschwindigkeit und Druck) kann die Temperaturverteilung im Modell gelöst werden.

Die physikalischen Modelle, welche verwendet werden können, beinhalten die Wärmeleitung durch die Feststoffe und Flüssigkeiten, den Energietransport durch freie oder erzwungene Konvektion und die Strahlungswirkung. Da der Wärmeübergangskoeffizient hauptsächlich von der Geschwindigkeitsverteilung der Flüssigkeit nahe der Oberfläche abhängt, kann das Design des Wärmetauschers zum Beispiel durch die Beeinflussung des Strömungsfeldes in Richtung des maximalen Wärmeübergangskoeffizienten optimiert werden.

Die zwei Beispiele (siehe Bilder unten) zeigen einen Auszug der Ergebnisse eines Dummy-Models der MHE33 und MHP23 Doppelrohr-Wärmetauscher, um die Möglichkeiten der CFD Simulation zu zeigen.

Die Farben kennzeichnen die resultierende Temperaturverteilung (rot steht für eine hohe Temperatur, blau für eine niedrige Temperatur). Die Umgebung wurde mit Luft und freier Konvektion angenommen.

Die Ergebnisse zeigen, dass z.B. nur 2% des gesamten Wärmestroms an die Umgebungsluft verloren geht. Der Temperaturanstieg der Flüssigkeit A ist bei ΔT = 3K. Der Wärmeinhalt der Flüssigkeit B wird jedoch nur um 0,3% reduziert, wodurch viel Energie eingespart werden könnte.

Mit freundlicher Genehmigung
MH Systems