Fläche eines Wärmeübertragers berechnen

Wie wird die Wärmeübertragungsfläche berechnet?

Die übertragene Wärme hängt von Fläche, mittlerer Temperaturdifferenz und Wärmedurchgang ab: Q = U × A × F × ΔT_lm.

Q ist die Wärmeleistung (W), U der Wärmedurchgangskoeffizient (W/(m²·K)) aus beidseitiger Konvektion, Wandleitung und Verschmutzung. ΔT_lm ist die logarithmische Temperaturdifferenz, F der Korrekturfaktor der Strömungsführung, bei Gegenstrom und Gleichstrom jeweils 1. Es gilt A = Q / (U × F × ΔT_lm).

Woher stammt die Leistung?

Meist aus Erwärmung oder Abkühlung eines Fluids: Q = ṁ × c_p × ΔT. Für 1,2 kg/s Wasser von 20 °C auf 80 °C werden 1,2 × 4,18 × 60 = 301 kW benötigt.

Beispiel

Geothermalwasser gibt im Gegenstrom 301 kW ab und kühlt von 160 °C auf 125 °C ab. Die Enddifferenzen betragen 80 K und 105 K, das logarithmische Mittel 92 K. Mit U = 640 W/(m²·K) ergibt sich 301 000 / (640 × 92) = 5,11 m².

U und Verschmutzung

U ist die unsicherste Größe. Geschwindigkeit und Bauart können seinen Wert auch bei denselben Fluiden um ein Mehrfaches verändern. Deshalb wird kein Wert vorgegeben, sondern nur ein grober Hilfebereich genannt.

Kalk, Rost und Ablagerungen werden durch 1 / U_k = 1 / U + R_f berücksichtigt. Bei hohem U vergrößert selbst ein kleiner Verschmutzungswiderstand die erforderliche Fläche merklich.

Grenzen

Dies ist eine Vorbemessung. Bei der Auslegung wird U aus den beidseitigen Wärmeübergangskoeffizienten berechnet, der Druckverlust geprüft und die Mechanik nach Regelwerk bemessen. Sind die Austrittstemperaturen unbekannt, verwenden Sie die Methode mit Wirkungsgrad und NTU statt der logarithmischen Temperaturdifferenz.