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Bauteil 98: Verdampfer für binäre Gemische

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Vorgaben

Leitungsanschlüsse
1	Primärseitiger Eintritt (kaltes Fluid, innerhalb der Rohre/drum)
2	Primärseitiger Austritt (kaltes Fluid, innerhalb der Rohre/drum)
3	Sekundärseitiger Eintritt (warmer Strom, außerhalb der Rohre)
4	Sekundärseitiger Austritt warmer Strom, außerhalb der Rohre)
5	Nebenkondensat-Eintritt (falls vorhanden)
6	(K*A)-Regler Eingang

 

Allgemeines       Vorgabewerte       Kennlinien       Verwendete Physik       Bauteilform       Beispiel

 

Allgemeines

Dieses Bauteil arbeitet analog zum Universalwärmetauscher (Bauteil 55), ist jedoch für die Verdampfung von binären Gemischen geeignet. Bei der Verdampfung eines solchen Gemisches treten in der flüssigen und in der gasförmigen Phase unterschiedliche Konzentrationen des Kältemittels auf. Diese werden im Bauteil als Ergebniswerte XIL2 (Massenanteil Kältemittel in der flüssigen Phase) und XIV2 (Massenanteil Kältemittel in der gasförmigen Phase) ausgewiesen.

Auf der heißen Seite werden weitere Leitungstypen unterstützt. Insbesondere kann auch auf dieser Seite ein Binärfluid vorhanden sein, und auch ein Universalfluid. Für die Modellierung eines Phasenwechsels auf der heißen Seite ist das Bauteil nicht geeignet. Auch ein Bibliothekswechsel beim Universalfluid wird nicht unterstützt.

 

Druckverlustbegrenzungen in Teillast (Extras --> Modelleinstellungen--> Berechnung--> Maximaler relativer Druckabfall) :
Da der Druckverlust quadratisch mit dem Massenstrom ansteigt, können sich bei Überschreitung des Nennmassenstroms schnell deutlich zu hohe Druckverluste ergeben, die dann Phasenübergänge und Konvergenzprobleme verursachen. Aus diesem Grunde wurden Druckverlustbegrenzungen eingebaut.

 

Pinchpoint-Verletzungen bei Wärmetauschern

Um in Teillast eine Pinchpoint-Verletzung (erst nachträglich festgestellt) auszuschließen, wurde zum jeweiligen Lastfall KA und daraus die übertragene Wärmemenge berechnet und anschließend überprüft, ob diese Wärmemenge überhaupt auf dem richtigen Temperaturniveau übertragen werden kann. Da bei Verdampfung bzw. Kondensation die Temperatur trotz Wärmezufuhr bzw. -abfuhr konstant bleibt, gibt es Fälle, bei denen trotz stimmiger Gesamtbilanz die Wärmeübertragung physikalisch nicht möglich ist. In diesem Fall wurde in Ebsilon eine Fehlermeldung ausgegeben.

Die Berechnung wurde  so geändert, dass die übertragene Wärmemenge so weit reduziert wird, wie es physikalisch noch möglich ist, wobei der Mindest-Pinchpoint
in einem Vorgabewert PINPMIN einstellbar ist. Dadurch ergibt sich eine entsprechend reduzierte Wärmeübertragungsfähigkeit  KA.
Der Anwender wird durch eine Warnmeldung ("KA reduziert zur Vermeidung einer Pinchpoint-Verletzung") darauf hingewiesen und kann dann die Teillast-Kennlinie bzw. den Teillast-Exponenten für KA entsprechend anpassen, so dass die Warnung nicht mehr auftritt. Der Vorteil ist jedoch, dass man in jedem Fall ein physikalisch mögliches Ergebnis erhält.

Darüber hinaus gibt es am Ende der Rechnung noch eine Überprüfung, ob durch gekrümmten Verlauf von Q(T) (bedingt durch signifikante Änderungen von cp in Abhängigkeit von der Temperatur) eine Pinchpoint-Verletzung vorliegt. Dies kann man nachvollziehen, in dem man den Wärmetauscher in einzelne Abschnitte zerlegt.
Dieser Fall kann beispielsweise auftreten, wenn auf der heißen Seite das cp am Eintritt deutlich kleiner als am Austritt ist (etwa bei Dampf, der bei starker Überhitzung ein cp von etwa 2 kJ/kgK hat, knapp über der Siedelinie aber mehr als 5). Das bedeutet, dass dieser Dampf mehr Wärme auf niedrigerem Temperaturniveau bereitstellt als auf hohem. Bei entsprechend kleinen Grädigkeiten kann dies eine Begrenzung für die mögliche Wärmeübertragung sein. 
Die QT-Diagramme berücksichtigen die Nicht-Linearität (Krümmung der Kurven) in Bereichen ohne Phasenwechsel.

 

Der Schalter FSPEC (veraltet) wurde auf zwei Schalter aufgeteilt:

• FTYPHX gibt den Typ des Wärmetauschers an
• FSPECD gibt an, auf welche Weise das Bauteil ausgelegt werden soll
  

Hinweis:

Beim Laden einer mit Release 11 (oder älter) erstellten Schaltung wird aus dem Wert des Schalters FSPEC die entsprechende Werte für FTYPHX, FSPECD  gesetzt und FSPEC auf „leer“ (-999) gesetzt. Die Schaltung rechnet damit dann wie vordem. Bei Bedarf kann jedoch auch der Schalter FSPEC noch verwendet werden.

Um Unklarheiten zu vermeiden, wurden in den Eingabemasken die Begriffe „Primärseite“ bzw. „Sekundärseite“ durch „kalte Seite“ und „warme Seite“ ersetzt. Die kalte Seite ist der Strom von Anschluss 1 zu Anschluss 2, der aufgewärmt wird. Die warme Seite ist der Strom von Anschluss 3 zu Anschluss 4, der die Wärme abgibt.

 

Auslegung bei Gleichstrom (Siehe dazu auch Wärmetauscher, allgemeine Anmerkungen):

Beim Wärmetauscher  (Bauteile 98 ) wurde die Möglichkeit geschaffen, auch bei Gleichstrom (FFLOW=1) eine Auslegung über die obere oder untere Grädigkeit vorzunehmen.

Für den Fall, dass die beiden Eintrittstemperaturen vorgegeben werden, kann die obere Grädigkeit nur iterativ bestimmt werden. In der Regel ist dies jedoch unproblematisch. Falls es in komplexeren Modellen zu Konvergenzproblemen kommt, müsste ein anderer Auslegungsmodus verwendet werden.

 

Hinweis zu den Ergebniswerten : 

Gütegrad RPFHX

Zur Beurteilung des Zustands eines Wärmetauschers /Bauteil 10 -Speisewasservorwärmers (ohne RABEK-Methode) dient der Quotient aus dem aktuellen Wert für k*A (Ergebniswert KA) und dem in jeweiligen Lastpunkt aufgrund der Bauteilphysik bzw. Kennlinien erwarteten k*A (Ergebniswert KACL). Der Quotient KA/KACL wird als Ergebniswert RPFHX angezeigt. 

Bei Bauteil 10 (Speisewasservorwärmer) wird bei Verwendung der RABEK-Methode stattdessen der Quotient KANRAB/KAN als Ergebniswert RPFHX angezeigt.  

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Vorgabewerte

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

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Kennlinien

1. Kennlinie   CKAM1  FK1 = f (M1/M1N)
2. Kennlinie   CKAM3  FK2 = f (M3/M3N) 

(K*A)/(K*A)N = FK1 * FK2 

 

Kennlinie 1: (k*A)-Kennlinie CKAM1:  (k*A)1/(k*A)N = f (M1/M1N)

X-Achse      1          M1/M1N                     1. Punkt                         2          M1/M1N                     2. Punkt                         .                         N         M1/M1N                     letzter Punkt       Y-Achse     1          (k*A)1/(k*A)N             1. Punkt                         2          (k*A)1/(k*A)N             2. Punkt                         .                         N         (k*A)1/(k*A)N             letzter Punkt

 

Kennlinie 2: (k*A)-Kennlinie CKAM3 : (k*A)2/(k*A)N = f (M3/M3N)

X-Achse     1          M3/M3N                     1. Punkt                         2          M3/M3N                     2. Punkt                         .                         N         M3/M3N                     letzter Punkt Y-Achse     1          (k*A)2/(k*A)N             1. Punkt                         2          (k*A)2/(k*A)N             2. Punkt                         .                        N         (k*A)2/(k*A)N              letzter Punkt

   

Verwendete Physik

Gleichungen 

Auslegungsfall (Simulationsflag: GLOBAL=Auslegungsfall und FMODE=Auslegungsfall)
	Wenn die untere Grädigkeit durch FSPEC vorgegeben ist, dann {  P4  = P3 - DP34N                                                 (2) T4  = T1 + DTN H4  = f(P4,T4) M4  = M3                                                             (6) Q4  = M4 * H4 DQ  = (Q3 - Q4)*(1-DQLR) P2  = P1 - DP12N                                                 (1) Q2  = Q1 + DQ M2  = M1                                                             (5) H2  = Q2/M2 T2  = f(P2,H2)  DTL = T4 - T1 (für FFLOW=Gegenstrom) DTU = T3 - T2 (FFLOW=Gegenstrom) LMTD = (DTU - DTL)/(ln(DTU) - ln(DTL)) (k*A) = DQ/LMTD (k*A)*LMTD =  M2*H2 - M1*H1                               (3) (k*A)*LMTD = (M3*H3 - M4*H4)*(1.-DQLR) (4) } Wenn die obere Grädigkeit durch FSPEC vorgegeben ist, dann { P2  = P1 - DP12N                                                 (1) T2  = T3 DTN M2  = M1                                                             (5) H2  = f(P2,T2) Q2  = M2 * H2 DQ  = Q2 - Q1  P4  = P3 - DP34N                                                 (2) Q4  = Q3 - DQ/(1-DQLR) M4  = M3                                                             (6) H4  = Q4/M4 T4  = f(H4,P4)  DTLO = T4 - T1 (für FFLOW=Gegenstrom) DTUP = T3 - T2 (für FFLOW=Gegenstrom)  LMTD = (DTUP - DTLO)/(ln(DTUP) - ln(DTLO)) KAN = DQ/LMTD KAN*LMTD =  M2*H2 - M1*H1                             (3) KAN*LMTD = (M3*H3 - M4*H4)*(1 - DQLR)           (4) }

   

Teillastfall (Simulationsflag: GLOBAL=Teillastfall oder FMODE=Teillastfall)
	F1 = (M1/M1N) ** 2     (bei GLOBAL=Auslegung ist F1=1.0)  P2 = P1 - DP12N * F1                                          (1) M2 = M1                                                             (5)  Fk1   = f(M1/M1N) aus Kennlinie 1,                 bei GLOBAL=Auslegung ist  Fk1=1 Fk2   = f(M3/M3N) aus Kennlinie 2,                 GLOBAL=Auslegung ist  Fk2=1.0 KA = KAN * Fk1 * Fk2 F3 = (M3/M3N) ** 2        (bei GLOBAL=Auslegung ist F3=1.0)  P4    = P3 - DP34N * F3                                      (2) M4    = M3  + M5                                                (6)  Maximum/Minimum Werte für die Iteration { H2max  = f(P2,T3) Q12max = M1 * (H2max - H1) H4min  = f(P4,T1) Q34max = Q3 - M4 * H4min }  Für FFLOW=Gegenstrom {   Qmax   = min(Q12max,Q34max)   }  Für FFLOW=Gleichstrom {   Vorschätzung für Start der Iteration 1   QA = min(Q12max,Q34max)   QM = QA*QA/(Q12max+Q34max)    Iteration1 {     H2   = H1 + QM*(1-DQLR) / M2     T2   = f(P2,H2)     T4   = T2     H4   = f(P4,T4)     QK   = Q3 -M4 * H4     DQQ_1 = DQQ     DQQ   = QM - QK     regula - falsi Methode {       Steigung  = (QM - QM_1)/(DQQ - DQQ_1)       für Iterationsschritt 1: Steigung des letzten Globalschritts       QMU   = QM  - DQQ  * Steigung       QM_1  = QM       QM   = QMU        }     DQ = | DQQ/((QM+QK)*.5) |   wenn DQ < TOL dann Iterationsende  1                       sonst Fortsetzung der Iteration   }   Qmax   = QM }  Q12 = 0.5*Qmax  Iteration2 {   H4 = (Q3 - Q12/(1-DQLR) )/M4   T4 = f(P4,H4)   H2 = H1 + Q12/M2   T2 = f(P2,H2)   DTLO = T4 - T1 (für FFLOW=Gegenstrom)   DTUP = T3 - T2 (für FFLOW=Gegenstrom)    DTLO = T4 -T2 (für FFLOW=Gleichstrom)   DTUP = T3 -T1 (für FFLOW=Gleichstrom)    LMTD = (DTUP - DTLO)/(ln(DTUP) - ln(DTLO))    QQ = KA * LMTD   DQQ_1 = DQQ   DQQ   = Q12 - QQ    regula - falsi Methode {     Steigung  = (Q12 - Q12_1)/(DQQ - DQQ_1)     für Iterationsschritt 1: Steigung des letzten Schritts     Q12X  = Q12  - DQQ * Steigung     Q12_1 = Q12     Q12   = Q12X   }    DQ = |DQQ /((Q12+QQ)*.5)| wenn DQ < TOL dann Iterationsende 2                       sonst Fortsetzung der Iteration }  KA*LMTD =  M2*H2 - M1*H1                               (3) KA*LMTD =  (M3*H3 - M4*H4) * (1 DQLR)            (4)

     

Bauteilform

	Form 1
	Form 2

Beispiel

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