Rohrbündelwärmetauscher auslegen: Energiebilanz, LMTD und Reserve

Auslegen heißt: für eine konkrete thermische Aufgabe die Baugröße finden, die die geforderte Leistung überträgt, den zulässigen Druckverlust einhält und innerhalb der Einsatzgrenzen bleibt. Dieser Leitfaden zeigt die Rechenschritte - dieselben, die unser Konfigurator serverseitig ausführt. Wo das Rechenmodell endet, legt unser Team aus, etwa bei einer Druckverlustgrenze auf einer Öl-, Glykol- oder Dampfseite.

Wie stellt man die Energiebilanz auf?

Jede Seite ohne Phasenwechsel gehorcht derselben Beziehung:

Q = m · cp · dT

Dabei ist Q die Wärmeleistung, m der Massenstrom, cp die spezifische Wärmekapazität und dT die Spreizung zwischen Ein- und Austritt. Weil die Leistung beider Seiten gleich sein muss, genügt es, einen Teil der Größen anzugeben - der Rest folgt aus der Bilanz. Wasser trägt mit rund 4,19 kJ/(kg·K) mehr als doppelt so viel Wärme je Kilogramm und Kelvin wie ein typisches Öl mit etwa 2 kJ/(kg·K); deshalb braucht die Ölseite für dieselbe Leistung entsprechend mehr Massenstrom oder mehr Spreizung. Kondensiert ein Medium, tritt an die Stelle von cp · dT die Enthalpiedifferenz zwischen Dampf am Eintritt und Kondensat am Austritt.

Was sagt die logarithmische Temperaturdifferenz aus?

Die treibende Temperaturdifferenz ändert sich über die Baulänge. Für die Flächenberechnung zählt ihr logarithmischer Mittelwert (LMTD) aus den Differenzen an beiden Enden. Je kleiner die LMTD, desto mehr Fläche braucht dieselbe Leistung - eng zusammenlaufende Temperaturen (“Grädigkeit”) machen Apparate schnell groß. Kreuzen sich die Temperaturen, hilft Gegenstromführung; unterschreitet der Abstand wenige Kelvin, gehört der Betriebspunkt kritisch geprüft.

Wie kommt man von der Fläche zur Baugröße?

Die nötige Fläche folgt aus Q = U · A · LMTD, wobei der Wärmedurchgangskoeffizient U von beiden Grenzschichten und der Rohrwand abhängt - und damit stark von Medien und Massenströmen. Statt U aus Tabellenwerten zu schätzen, prüft unsere Auslegung jede Baugröße des Katalogs mit gemessenen Übertragungskennwerten gegen den Betriebspunkt und sortiert aus, was Leistung, Druckverlust oder die Temperaturgrenze der Baureihe verletzt; Betriebsdruck und Werkstoff legen wir im Angebot fest. Übrig bleiben konkrete Vorschläge mit ausgewiesener Reserve, gerechnet für die Zahl parallel arbeitender Geräte, die Sie im Konfigurator vorgeben (ohne Angabe ein Gerät).

Welche Rolle spielt der Druckverlust?

Bei Flüssigkeiten verbessert mehr Strömung den Wärmeübergang, erhöht aber zugleich den Druckverlust. Ein zulässiger Druckverlust je Seite gehört deshalb zu jeder sauberen Anfrage: Er entscheidet mit, welche Baugrößen in Frage kommen, und schützt vor einem Apparat, der thermisch passt, aber die Pumpe überfordert. Automatisch prüft der Konfigurator diese Grenze auf einer Wasserseite; mit einer Druckverlustgrenze auf einer Öl-, Glykol- oder Dampfseite legt unser Team aus.