Viele Kunden orientieren sich bei der Auswahl eines Plattenwärmetauschers vor allem am Kaufpreis. Qualität und Kosten eines Plattenwärmetauschers werden jedoch weitgehend von mehreren Schlüsselfaktoren bestimmt, darunter dem Plattenmaterial, der Konstruktion, der Wärmeübertragungsfläche und der erforderlichen Wärmeleistung.
Dieser Artikel bietet einen praktischen Überblick über die Berechnung der Plattenwärmetauschergröße und stellt zwei häufig verwendete Entwurfsmethoden vor: die LMTD-Methode (Log Mean Temperature Difference) und die NTU-Methode (Number of Transfer Units).
Obwohl jede Anwendung einzigartige Betriebsbedingungen hat, bieten die folgenden Informationen einen nützlichen Ausgangspunkt für die Auswahl des richtigen Plattenwärmetauschers.
1. PlattenwärmetauscherGrößenberechnungen
Hitzebeständig
Unter Wärmeleistung versteht man die Wärmemenge, die der Wärmetauscher übertragen muss.
Basierend auf den Prozessbedingungen, der Flüssigkeitsdurchflussrate, den Einlass- und Auslasstemperaturen und anderen Betriebsparametern kann die erforderliche Wärmeleistung berechnet werden.
Wärmeübertragungsbereich
Die Wärmeübertragungsfläche ist einer der wichtigsten Parameter bei der Bestimmung der Größe eines Plattenwärmetauschers.
Sie wird auf der Grundlage der erforderlichen Wärmeleistung, der Flüssigkeitsdurchflussraten, der Betriebstemperaturen und der Wärmeübertragungsleistung berechnet.
Anzahl der Platten
Die Anzahl der Platten bestimmt die verfügbare Wärmeübertragungsfläche im Inneren des Wärmetauschers.
Im Allgemeinen führt eine Erhöhung der Anzahl der Platten zu einer größeren Wärmeübertragungsfläche und verbessert die Wärmeleistung.
Allerdings erhöhen zusätzliche Platten auch die Gerätekosten und den Druckabfall.
Die erforderliche Plattenanzahl sollte entsprechend der Wärmeübertragungsfläche, den Plattenabmessungen und den Strömungsbedingungen bestimmt werden.
Modell und Spezifikationen
Nachdem die wesentlichen Designparameter festgelegt wurden, kann aus der verfügbaren Produktpalette ein passendes Modell ausgewählt werden.
Bei der Auswahl sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:
- Plattenmaterial
- Druckstufe
- Korrosionsbeständigkeit
- Betriebstemperatur
- Prozessanforderungen
Druckabfall
Unter Druckabfall versteht man den Druckverlust, den die Flüssigkeit beim Durchströmen des Wärmetauschers erfährt.
Dies hängt von mehreren Faktoren ab, darunter:
- Durchflussrate
- Anzahl der Teller
- Plattenabstand
- Plattendicke
Bei der Auswahl eines Plattenwärmetauschers ist es wichtig sicherzustellen, dass der berechnete Druckabfall innerhalb der zulässigen Grenzen des Prozesssystems bleibt.
Zusammenfassung
Die genaue Dimensionierungsmethode sollte immer an die spezifischen Betriebsbedingungen jeder Anwendung angepasst werden.
Neben thermischen Berechnungen sollten auch Installationsanforderungen, Wartungszugänglichkeit und Reinigungsmethoden berücksichtigt werden, um einen zuverlässigen Langzeitbetrieb zu gewährleisten.
Unter den verschiedenen verfügbaren Berechnungsmethoden ist dieLog Mean Temperature Difference (LMTD)-Methodeund dieNTU-Methode (Number of Transfer Units).sind die beiden am weitesten verbreiteten Ansätze für die Konstruktion von Plattenwärmetauschern.
Beide Methoden basieren auf Wärmeübertragungsprinzipien und Druckabfallkorrelationen.
2. Was ist die LMTD-Methode (Log Mean Temperature Difference)?
Die Log Mean Temperature Difference (LMTD)-Methode ist einer der am häufigsten verwendeten Ansätze zur Berechnung der Wärmeübertragungskapazität eines Plattenwärmetauschers.
Sein Grundprinzip geht davon aus, dass der Wärmeaustausch auf der Grundlage einer durchschnittlichen Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Flüssigkeiten erfolgt.
Der Wärmeübertragungsprozess ist in eine Reihe kleiner Abschnitte unterteilt.
In jedem Abschnitt werden die Temperaturen der beiden Flüssigkeiten durch dargestelltT₁, T₂, T₃, UndT₄.
Die in jedem Abschnitt übertragene Wärme wird einzeln berechnet und die Gesamtwärmeübertragungsrate wird durch Summieren der Ergebnisse ermittelt.
Anstatt die tatsächliche Temperaturdifferenz in jedem Abschnitt zu verwenden, verwendet die Methode dielogarithmischer mittlerer Temperaturunterschied.
Die LMTD-Gleichung lautet:
Wo:
- ΔT₁=Temperature difference at one end of the heat exchanger
- ΔT₂= Temperaturunterschied am anderen Ende
- ΔTlm= Mittlere Temperaturdifferenz protokollieren
Die Gesamtwärmeübertragungsrate wird wie folgt berechnet:
Q=U × A × ∆Tlm
Wo:
- Q= Wärmeübertragungsrate
- U= Gesamtwärmeübergangskoeffizient
- A= Effektive Wärmeübertragungsfläche
- ΔTlm= Mittlere Temperaturdifferenz protokollieren
In praktischen Anwendungen ändern sich die Flüssigkeitstemperaturen entlang des Strömungswegs kontinuierlich.
Daher sollten Berechnungen unter Verwendung der tatsächlichen Betriebsbedingungen und geeigneter Werte für durchgeführt werdenUUndAausgewählt werden, um genaue Ergebnisse zu erhalten.
3. Die NTU-Methode für das Design von Plattenwärmetauschern
DerNTU-Methode (Number of Transfer Units).ist ein weiterer weit verbreiteter Ansatz zur Abschätzung der thermischen Leistung eines Plattenwärmetauschers.
Im Gegensatz zur LMTD-Methode basiert die NTU-Methode auf dem Konzept derAnzahl der Transfereinheiten (NTU), ein dimensionsloser Parameter, der die Wärmeübertragungsfähigkeit des Wärmetauschers darstellt.
NTU hängt von Faktoren wie Massendurchfluss, Wärmekapazität und Gesamtwärmeübertragungsleistung ab.
Schritt 1. Bestimmen Sie die Wärmebelastung und die Flüssigkeitseigenschaften
Berechnen Sie basierend auf den Prozessbedingungen:
- Erforderliche Wärmeleistung
- Massendurchfluss
- Spezifische Wärmekapazität jeder Flüssigkeit
Schritt 2. Bestimmen Sie die Wärmeübertragungskapazität
Die Wärmeübertragungsfähigkeit des Wärmetauschers wird dargestellt durch:
- Gesamtwärmeübergangskoeffizient (U)
- Effektive Wärmeübertragungsfläche (A)
Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beschreibt die Wärmeübertragungsrate zwischen den beiden Flüssigkeiten pro Temperaturdifferenzeinheit.
Schritt 3. Berechnen Sie den NTU-Wert
Die NTU wird berechnet mit:
Wo:
- Cminist die kleinere Wärmekapazitätsrate der beiden Flüssigkeiten.
Schritt 4. Berechnen Sie die Wirksamkeit des Wärmetauschers
Die Wirksamkeit des Wärmetauschers kann wie folgt abgeschätzt werden:
ε=1 - exp(-NTU × (1 - Cr))
Wo:
- ε= Wirksamkeit des Wärmetauschers
- Cr= Wärmekapazitätsverhältnis, definiert als das Verhältnis der kleineren Wärmekapazitätsrate zur größeren Wärmekapazitätsrate.
Schritt 5. Berechnen Sie die Wärmeübertragungsrate
Die Wärmeübertragungsrate wird dann berechnet als:
Q=ε × Cmin × (T1 - T2)
Wo:
- Q= Wärmeübertragungsrate
- T₁ – T₂= Temperaturunterschied zwischen den Einlassströmen der beiden Flüssigkeiten.
Notizen
Die NTU-Methode erfordert eine größere Anzahl an Eingabeparametern als die LMTD-Methode und die Berechnungen sind im Allgemeinen komplexer.
Aus diesem Grund sind genaue Betriebsdaten für zuverlässige Berechnungsergebnisse unerlässlich.
Bei korrekter Anwendung bietet die NTU-Methode eine effektive Möglichkeit zur Bewertung der thermischen Leistung von Plattenwärmetauschern, insbesondere wenn die Auslasstemperaturen während der Entwurfsphase unbekannt sind.
