Bauteil 47: Nasskühlturm

In diesem Thema

Bauteil 47: Nasskühlturm (mit Klenke - Koeffizienten)

Vorgaben

Leitungsanschlüsse
1	Lufteintritt
2	Luftaustritt
3	Kühlwassereintritt (Warmwasser)
4	Kühlwasseraustritt (Kaltwasser)
5	Zusatzwassereintritt
6	Abflutwasser

Allgemeines Vorgabewerte Kennlinien Verwendete Physik Bauteilform Beispiel

Allgemeines

Das Bauteil "Nasskühlturm" simuliert das Betriebsverhalten eines Nasskühlturms unter Auslegungs- und Teillastbedingungen. Im Auslegungsmodus legt der Anwender eine gewünschte Kaltwassertemperatur fest, und die Kühlzonenbreite wird berechnet unter Verwendung der Nominalwerte der Hauptrandbedingungen

Eintrittstemperatur der Luft,
Eintrittsluftfeuchtigkeit,
Eintrittstemperatur Warmwasser,
Massenstrom Wasser

Im Teillastmodus wird die Kaltwassertemperatur in Abhängigkeit von den vier Hauptrandbedingungen und einem von KLENKE (BWK, 18, 1966) entwickelten Leistungsmodell berechnet.

Zur Schätzung der Kühlturmleistung bei Naturzug- und Ventilatorkühltürmen unter Anwendung der in DIN 1947 festgelegten Leistungsregeln werden Bauteile 78 und 79 verwendet.

Klenke Modell

Die wesentlichen Größen von Wärme und Massenstrom können am besten mittels des h-x-Diagramms für feuchte Luft modelliert werden. Die folgenden Indizes werden verwendet, um die Hauptströme zu identifizieren:

1 Lufteintritt

2 Luftaustritt

3 Warmwassereintritt

4 Kaltwasseraustritt

4id minimal mögliche (oder ideale) Kaltwassertemperatur

Im Modell werden noch weitere Massenströme berücksichtigt wie z. B. Zusatzwasser (M5) oder Entwässerungswasser (M6), die aus der Massenbilanzgleichung für Wasser ermittelt werden.

M3-M4 = M1*(X2H2O-X1H2O) (1)

M3*H3 - M4*H4 = M1*(H2-H1) (2)

mit

M3,M4                        Wassermassenstrom
M1                              tr. Luftmassenstrom
X2H2O,X1H2O            Wasserkonzentrationen auf Trockenluftbasis
H1, H2, H3, H4:           Enthalpien

Transformation der Gleichungen (1) und (2) resultiert in der Definition des Verhältnisses Luft-zu-Wasser (L)
L = M1/M3 = (H3-H4)/(H2-H1 - H4*(X2H2O-X1H2O) (3)

Im Modell von KLENKE wird eine Beschreibung der Kühlturmleistung durch eine einzelne Kennlinie empfohlen. Diese Kennlinie korreliert die Kühlturmeffektivität mit dem relativen Verhältnis Luft-zu-Wasser. Die Kühlturmeffektivität (α) is definiert als das Verhältnis der Ist-Kühlzonenbreite zur "idealen" Kühlzonenbreite. Das relative Verhältnis Luft-zu-Wasser ist definiert als das Ist-Verhältnis Luft-zu-Wasser (L) geteilt durch das "ideale" Verhältnis Luft-zu-Wasser (Lid)

Abhängige Größe (Ordinate): α = (T3-T4)/(T3-T4id) (4)
Unabhängige Größe (Abszisse): β = L/Lid (5)

Das ideale Verhältnis Luft-zu-Wasser kann mit der Gleichung (3) einfach berechnet werden, wenn die Idealbedingungen für Punkt 4 eingesetzt werden.

In der Regel müssen Kühlturmprozesse durch eine Leistungs-Kennfläche beschrieben werden, die mehrere Kennlinien enthält. KLENKE hat in seiner Arbeit gezeigt, dass wenn das Verhältnis von Oberfläche zu Massenstrom der Tropfen konstant ist, eine einzelne Kennlinie ausreicht, um die Kühlturmleistung zu beschreiben.

Es ist sinnvoll, für die Simulation des Betriebsverhaltens die Kennlinie um den Nennlastpunkt (Auslegungsfall) herum zu normalisieren, d.h. sie entsprechend α/αN und β/βN zu verwenden.

Um die Auslegung vollständig zu beschreiben, muss zusätzlich zu den vier Haupteinflüssen das Verhältnis Luft-zu-Wasser (M1/M3) eingegeben werden. Ein Wert von 0,7 ist üblich für Naturzugkühltürme.

Die Auslegungsrechnung erfolgt in folgenden Schritten

Eingabe

Warmwassereintrittstemperatur (T3)
Kaltwasseraustrittstemperatur (T4N)
Temperatur und Feuchtigkeit der Umgebungsluft (T1, PHI1)
Nominaler Wassermassenstrom (T3N)
Nominalverhältnis Luft-zu-Wasser (M1/M3)

Berechnung

T4id (Iteration)
T2, X2 aus Bilanzgleichungen (Iteration)
(M1/M3)id
αN, βN

Die Teillastrechnung wird wie folgt durchgeführt:

Eingabe:

Warmwassereintrittstemperatur (T3)
Temperatur und Feuchtigkeit der Umgebungsluft (T1, PHI1)
Nominaler Wassermassenstrom (M3N)
Ist-Wassermassenstrom (M3)
Nominale Kühlzonenbreite (DT34N)

Berechnung:

T4id
M1 aus Zugverhältnis des Kühlturms (Iteration)
T2, X2 (Iteration)
(M1/M3)id
β aus M1 und M3
β/βN und Bestimmung α/αN aus Kennlinie
T4 aus α/αN und T3 - T4id

Vorgabewerte

M1M3N	Massenstromverhältnis Luft zu Kühlwasser (nominal) M1N/M3N
T4N	Temperatur Kaltwasseraustritt (nominal)
T1	Temperatur Lufteintritt
PHI1	Eintritts-Luftfeuchtigkeit PHI=PWasser / Psat(T)
MSM3	Relativer Spritzverlust MSpray/M3
M6M3	Relativer Abwassermassenstrom M6/M3
DP34N	Druckverlust (nominal)
CC1	Kennlinienkoeffizient 1
CC2	Kennlinienkoeffizient 2
CC3	Kennlinienkoeffizient 3
FMODE	Schalter für Berechnungsmodus Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Global =1: Lokale Teillast
FSPEC	Zusatzwasser - Modus Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Umlaufbetrieb M3=M4 and M5=M2-M1+M6 =1: Ablaufbetrieb (Zusatzwasser = 0) M4=M3-(M2-M1+M6) M5=0
DT34N	Kühlzonenbreite (nominal) DT34N=(T3-T4)N
T1N	Temperatur Lufteintritt (nominal)
PHI1N	Eintritts - Luftfeuchtigkeit (nominal)
M3N	Kühlwassermassenstrom (nominal)

Die blau markierten Parameter sind Referenzgrößen für den Teillastmodus. Die Ist-Teillastwerte beziehen sich in den verwendeten Gleichungen auf diese Größen.

Generell sind alle sichtbaren Eingaben erforderlich. Häufig werden jedoch Standardwerte zur Verfügung gestellt.

Für weitere Informationen über die Farbe der Eingabefelder und ihre Beschreibungen siehe Komponenten bearbeiten\Vorgabewerte

Für weitere Informationen über Auslegung vs. Teillast und Nominalwerte siehe Allgemeines\Nominalwerte übernehmen

Kennlinien

DTTID = T3-T4id

DTTNID = T3N-T4Nid

DTTNR = DTTN/DTTNID

M1M3NR = M1M3N/M1M3NID

DTTVV = M1M3/M1M3ID/M1M3NR

Kennlinie (DTTVV):

ZW =(DTTV+CC1*(DTTVV^0.3-DTTVV)+CC2*(DTTVV^1.3-DTTVV^2) )* (1+CC3*(T1-T1N)*0.01)

DTT = ZW*DTTID*DTTNR

T4 = T3-DTT

Verwendete Physik

Gleichungen

Alle Betriebsfälle

M1M3=M1/M3

DTTN=DT34N

Vorberechnung
==========

wenn GLOBAL = Teillast
oder Iteration > 15 , dann {Berechnung von Teillast}

H1N = H1
wenn GLOBAL=Auslegung, dann {
T3N = f (P3,H3)
DTTN= T3N-T4N
H3N = H3}
sonst {
T3N = T4N+DTTN
H3N = f (P3,T3N)
}

CALL Feuchtigkeit (PHI1N,T1N,P1,X1i)
T4Nid = T_LIMIT (PHI1N,T1N,P1,X1i)
H4N   = f (P4,T4N)
INDI = 0

H2N   = H2_M1M3 ( PHI1N, T1N, P1N, H1N, X1i, T3N, P3, H3N, T4N, P4,
              H4N, M1M3ID, M1M3N, M1M3NR, M1M3, DTTN, DTT, DTTNR, INDI)

M1M3NID= M1M3_ID (T1N,T3N,H1N,H3N,T4Nid,X1i,X2i)

Bezugswerte der Kennlinien {
         DTTNID = T3N-T4Nid
         DTTNR = DTTN/DTTNID
         M1M3NR = M1M3N/M1M3NID
}

Zuordnungen {

         H1X = H1N
         H2X = H2N
         H4X = H4N
         H6X = H4N
         DTT = DTTN
         M1M3 = M1M3N
}

Berechnung von Teillast

==========================

T3 = f (P3,H3)
CALL Feuchtigkeit (PHI1,T1,P1,X1i)
T4id = T_LIMIT (PHI1,T1,P1,X1I)
DTTID = T3-T4id

M1M3ID = M1M3_ID (T1,T3,H1,H3,T4id,X1I,GEW2)

INDI = 2
H2N = H2_M1M3 (PHI1N, T1, P1, H1, X1I, T3, P3, H3, T4, P4, H4, M1M3ID,
M1M3N, M1M3NR, M1M3, DTTID, DTT, DTTNR, INDI)

Zuordnungen {
         H1X = H1
         H2X = H2
         H4X = H4
         H6X = H4
         DTT = T3-T4
}

Gleichungen für Druck

========================

F     = 1.0
F     = (M3/M3N) ** 2    bei MODE = 1
DP34 = DP34N * F
P4    = P3 - DP34                                  ( 1)
P2    = P1                                                ( 2)
P4    = P6                                                ( 3)
P4    = P5                                                ( 4)

Gleichungen für Enthalpie

=======================

H1   = HX1                                               ( 5)
H2   = HX2                                               ( 6)
H4   = HX4                                               ( 7)
H6   = HX6                                               ( 8)

Gleichungen für Massenstrom

=========================

ZWG = (X2H2O-X1H2O)*M1M3
wenn FSPEC=0,dann {
M3 = M4 } ( 9)
, sonst {
M3*(M6M3+ZWG+MSM3) = M4 ( 9a)
}

M1 = M1M3*M3                                       (10)
M2 = (1+(ZWG+MSM3)/M1M3)*M1      (11)
M6 = M6M3*M3                                       (12)

wenn FSPEC=0, dann {
M5 = (M6M3+ZWG+MSM3)*M3    }     (13)
sonst {
M5 = 0   }                                                (13a)

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Unterprogramm-Feuchtigkeit
Festlegung der Massenbestandteile für vorgegebenen Druck,
Temperatur, Massenbestandteile und relative Feuchtigkeit

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Feuchtigkeit (PHI,T,P,X)

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PS = Psat(t)

PH2O= PS * PHI

YH2O= PH2O/P

XH2O= YH2O*MolH2O/MolSUM

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Unterprogramm-T_LIMIT
Berechnung der Feuchtkugeltemperatur bei einem gegebenen System

Druck. Temperatur und relative Feuchtigkeit

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T_LIMIT (PHI,T,P,Xi)

===================

H = f (P,T,Xi)

TLIM = T

XLIM_H2O_G= f (P,TLIM) (maximaler Dampfanteil)

XLIM_H2O = XLIM_H2O_G

Iteration{

DH2O = (MLIM_H2O-M1H2O)/M1
DH2O = (XLIM_H2O-X1H2O)/(1.0-XLIM_H2O)
HLIM= H1+DH2O*(CPWasser*TLIM-LH2O)
LH2O=latente Wärme im Wasser
TLIM= f (HLIM,P)
XLIM_H2O_L=f (P,TLIM)              (maximaler Wasseranteil)
wenn XLIM_H2O_L >0 then {
    XLIM_H2O_G = XLIM_H2O_G-XLIM_H2O_L }
sonst {
    XLIM_H2O_G = f (P,TLIM) (maximaler Dampfanteil) }
XLIM_H2O = XLIM_H2O_G
} Ende der Iteration

T_LIMIT = TLIM

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Unterprogramm-H2_M1M3
Berechnung der Enthalpie des Kühlturmausgangs
bei vorgegebenem M1/M3 and vorgegebenen thermodynamischen
Werten an den Punkten 1, 3 and 4

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H2_M1M3 (PHI1,T1,P1,H1,X1i,T3,P3,H3,T4,P4,H4,

M1M3ID,M1M3N,M1M3NR,M1M3,DTTN,DTT,DTTNR,INDI)
T2 = T3

START der Iteration {
CALL Feuchtigkeit (PHI=1,T2,P2=P1,X1i)
wenn INDI=0, dann {
    M1M3 = M1M3N    (=Verhältnis M1/M3) }
sonst {
    M1M3 aus M1M3N, DENSITY12 , DENSITY12N und
    Feuerstätte-Formel
    Kennlinie
    DTTVV = M1M3/M1M3ID/M1M3NR
    ZW    = Kennlinie(DTTVV)
ZW =(DTTV+CC1*(DTTVV^0.3-DTTVV)
          +CC2*(DTTVV^1.3-DTTVV^2) )* (1+CC3*(T1-T1N)*0.01)
    DTT   = ZW*DTTID*DTTNR
    T4 = T3-DTT
    H4 = f (P4,T4)
    }

Energiebilanz Kühlturm
ZW2 = (X2H2O-X1H2O)/(1-X2H2O)
H2 = (H1+(H3-H4)/M1M3+(H4-LH2O)*ZW2)/(1-ZW2)
T2 = f (H2,P2)
} Ende der Iteration

H2_M1M3 = H2

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Unterprogramm-M1M3_ID
Berechnung des minimalen Verhältnisses Luft-zu-Wasser M1/M3id für ideale
Kühlturmbedingungen (d.h. T4=T4_LIMIT, T4=T1 Feuchtkugel)

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M1M3_ID (T1id,T3id,H1,H3,T4_LIMIT,X1i,X2i)
T4id = T4_LIMIT
T2id = T3id
H1id = H1
H3id = H3
H2id = f (P2,T2id)
H4id = f (P2,T2id)
Energiebilanz Kühlturm
ZW = (X2_H2O-X1_H2O)/(1-X2_H2O)
M1M3_id = (H3id-H4id)/(H2id-H1id-(H4id-LH2O-H2id)*ZW)

Bauteilform

Form 1

Beispiel

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