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Simulation von Wärmetauschern mit Simulink

Author: Oliver Schulz

Project

Abstract

Wärmetauscher übertragen Energie von einer energiereichen (heißen) Strömung auf eine energieärmere (kalte) Strömung. Dies geschieht auf 3 Arten: Konvektion, Wärmeleitung, Strahlung. Verschiedene Bauformen, z.B. Gleichstrom-, Gegenstrom-, Kreuzstromwärmetauscher und Kombinationen daraus bedürfen unterschiedlicher Berechnungsansätze, Beispielrechnungen beschränken sich in diesem Rahmen allerdings auf den Gegenstrom.

Zur Berechnung von Wärmetauschern sind vier verschiedene Ansätze verwendet worden. Das NTU Verfahren vereinfacht den Wärmetauscher stark, so dass man mit einfachen Formeln die NTU berechnen kann. Damit kann über ein Diagram die Temperaturänderung der Ströme und der Wärmestrom zwischen den Strömen berechnen werden. In dem Verfahren nach den Characteristic Maps wird ein maximal möglicher Wärmestrom über Enthalpiegleichungen berechnet. Die Effektivität des Wärmetauschers kann in einem Diagram abgelesen werden womit sich der effektive Wärmestrom und daraus die Ausgangstemperaturen der Ströme berechnen lassen. Die Berechnungsverfahren nach Easy 5 und einem strömungsmechanischen Ansatz basieren beide auf dem 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik, allerdings wird in bei Easy 5 eine durchschnittliche Fluidtemperatur berechnet, von der aus dann die Ausgangstemperaturen für den heißen und kalten Strom bestimmt werden. Beim strömungsmechanischen Ansatz wird die Wandtemperatur berechnet und daraus die Ausgangstemperaturen für den heißen und kalten Strom.

Die Verfahren nach Easy 5 und dem strömungsmechanischen Ansatz wurden mit dem Programm Simulink simuliert, die Ergebnisse zu Temperaturverlauf und den Endwerten stimmen gut überein, die Ausgangstemperaturen der Warmen Rohre liegen über denen der kalten Rohre. Die beiden anderen Verfahren eigneten sich nicht zur Berechnung mit Simulink, da Diagramme abgelesen werden mussten. Die Berechnung des NTU Verfahrens per Hand erbrachte abweichende Ergebnisse, die Ausgangstemperatur des kalten Rohres liegt über dem des warmen Rohres.