Mehrstoff-Gemisch-Kondensator (MESK)

Berechnung von Reinstoff- / Mehrstoff-Gemisch-Kondensatoren
mit / ohne Inertgase

- setzt MS Access voraus -

Bauarten

Rohrbündelbauweise mit glatten / berippten Rohren
stehend / liegend
Gleichstrom / Gegenstrom
rohrseitige / mantelseitige Kondensation
überhitzter Zustrom / unterkühlter Ablauf
Reinstoff / Mehrkomponenten-Gemische mit / ohne Inertgase
Plattenbauweise (in Planung)

Graphische Ausgabe der Berechnungsergebnisse

Temperaturverlauf von Dampf, Kondensat und Kühlmittel
Kondensatmassenstrom
Druckverlauf auf der Kondensationsseite
Änderung des Dampfgehaltes und der Dampfgeschwindigkeit

[Picture]

Konstruktion

Berechnung konstruktionsgerechter Rohrspiegel
Rohrspiegelbibliothek
CAD Schnittstelle

Wissenschaftliche Basis

Lokale Beschreibung der Kondensation durch Zellenmethode.
Berechnung des Stoff- und Energietransportes nach VDI-Wärmeatlas Kapitel Jbb für Mehrstoffgemische oder nach der “Resistance Proration"-Methode auf Basis der “Heat-Curve".
Einphasige Wärmeübergänge nach VDI-Wärmeatlas
LV-Stoffwertgenerator PROPER mit Phasengleichgewichtsberechnung (DDB-Flash) nach Prof. Gmehling

Vergleichsrechnungen zum Mehrstoff-Gemisch-Kondensator (PDF, 212kB)

Beispiel eines Temperaturverlaufes:

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Programmstruktur des Moduls MESK

Das Programm arbeitet nach der Zellen-Methode, d.h. der Apparat wird inkremental so in Zellen diskretisiert, daß die lokale Beschreibung des Kondensationsvorganges hinreichend genau wird. Für jede Zelle werden die Gleichungen iterativ gelöst.

Sie beschreiben die Zusammenhänge zwischen der Kernströmung des Dampfes, den Diffusions- und Gleichgewichtsbedingungen in der Diffusionsgrenzschicht (einschließlich des Wärme- und Stoffüberganges), des Kondensatfilmes und des Wärmeüberganges an das Kühlmittel sowie die Massen- und Energiebilanz.

Teil-Ergebnisse einer Zelle (Bilanzdaten und thermische Daten) von MESK

Auszug:

Dampf					Film			Alpha
T	Mpkt	P	V	Re	T	Mpkt	Re	Gas-Film	Total
406,5	0,374	9982,9	1,372	-1	309,2	3,677	-1	0,0030	93,08
406,5	0,411	9982,9	1,502	4589,9	313,8	7,664	0,6	0,0043	100,27
406,5	0,451	9982,9	1,643	5034,1	315,9	0,119	1,3	0,0061	108,47
406,5	0,494	9982,9	1,794	5513,9	317,8	0,166	2,2	0,0083	117,46
406,5	0,540	9982,9	1,959	6032,5	319,6	0,216	3,1	0,0109	127,34
406,5	0,591	9983,0	2,136	6593,0	321,4	0,270	4,2	0,0141	138,19
406,5	0,645	9983,0	2,328	7199,0	323,2	0,329	5,4	0,0178	150,12
406,5	0,704	9983,0	2,535	7854,6	325,0	0,393	6,8	0,0200	163,33
406,5	0,768	9983,1	2,760	8564,1	326,7	0,462	8,3	0,0266	177,97
406,6	0,836	9983,1	3,003	9332,4	328,4	0,536	10,0	0,0318	194,27
406,6	0,911	9983,2	3,266	10164,0	330,1	0,617	11,8	0,0352	212,21
406,6	0,992	9983,3	3,551	11062,0	331,6	0,704	13,9	0,0356	231,72
406,6	1,079	9983,3	3,858	12032,0	333,1	0,798	16,2	0,0360	253,08
406,6	1,173	9983,4	4,189	13078,0	334,5	0,899	18,7	0,0363	276,55
406,6	1,274	9983,6	4,545	14205,0	335,9	1,009	21,5	0,0367	302,39
406,6	1,383	9983,7	4,929	15417,3	337,2	1,126	24,4	0,0370	330,89
406,6	1,501	9983,8	5,341	16720,7	338,5	1,253	27,7	0,0373	362,40
406,6	1,627	9984,0	5,784	18121,1	339,7	1,389	31,3	0,0375	397,31

Das Programm MESK dient zur thermischen und hydraulischen Auslegung und / oder Simulation von

Rohrbündelkondensatoren mit glatten oder berippten Rohren

Das kondensierende Medium kann entweder ein Reinstoff oder ein Mehrkomponentengemisch mit oder ohne Inertgas-Anteil sein. Neben dem Kondensationsvorgang (Basis: VDI-Wärmeatlas Kapitel Jbb) berücksichtigt das Programm auch die Enthitzung des Dampfes bis zur Taupunktstemperatur sowie eine eventuelle Unterkühlung des Kondensates. Bei Verwendung der "Resistance Proration"-Methode auf der Basis einer Heat-Curve ist die Berechnung auf die Kondensation beschränkt, die Enthitzung des Dampfes bzw. die Unterkühlung des Kondensates wird nicht berücksichtigt.

Die Kondensation kann sowohl in den Rohren als auch im Mantelraum erfolgen. Bei der Auslegung wird zwischen liegenden und stehenden Apparaten unterschieden, wobei bei stehenden Kondensatoren der Dampf und das ablaufende Kondensat im Gleichstrom oder im Gegenstrom geführt werden kann.

Konstruktionsgerechter Rohrspiegel

Das Programm enthält das von LV entwickelte Modul SPIE, das durch Vorgabe weniger Randbedingungen selbständig einen konstruktionsgerechten Rohrspiegel für die Berechnung generiert. Dieser Rohrspiegel kann in einer Rohrspiegelbibliothek abgespeichert und als DXF Datei an verschiedene CAD-Programme weitergegeben werden.

Kondensation

Kondensation findet statt, wenn die Temperatur der kühlenden Wand kleiner als die Taupunktstemperatur des Dampfes ist. Bei einem reinen Stoff ist hierbei die Kondensation wärmeübergangskontrolliert, d.h. der Dampfstrom vom Kern der Strömung zur Phasengrenze wird lediglich durch den Wärmewiderstand im Kondensatfilm bestimmt. Dabei ergibt sich die treibende Kraft für den Kondensationsprozess aus der Differenz zwischen der Taupunktstemperatur des Dampfes und der Wandtemperatur. Bei Gemischen stellt sich der Sachverhalt wesentlich komplexer dar. Bei Unterschreiten der Taupunktstemperatur kondensiert in einem Gemisch bevorzugt die schwerer flüchtigen Komponenten an der Kühlfläche aus. Daher hat der Dampf an der Phasengrenzfläche eine andere Zusammensetzung als im Kern der Strömung.

Es kommt zu einer Anreicherung der leichter flüchtigen Komponenten an der Phasengrenzfläche. Diese Anreicherung stellt einen zusätzlichen Stofftransportwiderstand für die zur Phasengrenzfläche diffundierenden Stoffströme dar (Diffusionsgrenzschicht) und erniedrigt die Temperatur an der Phasengrenzfläche. Die Phasengrenztemperatur bestimmt auch hier den Wärmetransport durch den Kondensatfilm und somit den ganzen Kondensationsprozess.

Einen großen Einfluß auf die Kondensationsgeschwindigkeit und somit auf die Kondensationsleistung haben Inertgase, da sie permanent während des Kondensationsprozesses den Stoffstrom der kondensierenden Dämpfe behindern und die Kondensationsleistung verringern (diffusionskontrolliert).

Bei der Berechnung der Kondensation von Dampf-gemischen müssen deshalb die zusätzlichen Widerstände für den Stoff- und Energietransport berücksichtigt werden.

Das Programm greift hierfür auf die Ansätze im Kapitel Jbb des VDI-Wärmeatlas 8. Auflage zurück, das diese Diffusionsprozesse und die lokalen Gleichgewichtsbedingungen zu einem mathematischen Verfahren zusammenfaßt und einer iterativen Lösung zugänglich macht.

Zusätzlich zu der im Kapitel Jbb beschriebenen Methode enthält das Programm MESK noch einen weiteren Lösungsansatz nach der “Resistance Proration"-Methode. Diese Methode geht davon aus, dass das Dampf-Temperatur-Profil durch die Gleichgewichtsbedingung näherungsweise dargestellt werden kann. Grundlage ist die “Heat-Curve", mit deren Hilfe und unter Verwendung von empirischen Korrekturen der Kondensationsprozess beschrieben werden kann.

Die Berechnung des Kondensators kann nur innerhalb des in der Heat-Curve angegebenen Temperaturbereiches erfolgen, der durch die Tau- und Siedetemperatur des Dampfgemisches begrenzt ist. Eine Enthitzung des Dampfes auf Tautemperatur oder eine Unterkühlung des Kondensates wird nicht berücksichtigt.

Die “Heat-Curve" kann entweder vom Anwender eingegeben oder mit dem Stoffwertgenerator PROPER berechnet werden.

Einphasiger Wärmeübergang

Der einphasige Wärmeübergang bei der Enthitzung des Dampfes und Unterkühlung des Kondensats sowie für das Kühlmittel wird nach den Ansätzen des VDI-Wärmeatlas berechnet.

LV-Stoffwert-Generator PROPER mit DDB-Phasengleichgewichtsberechnung

Die von der Temperatur, dem Druck und der Zusammensetzung abhängigen Stoffwerte des Dampfes und des Kondensates werden während der Berechnung durch den in das Programm integrierten Stoffwertegenerator PROPER ständig neu berechnet und nachgeführt. Für die Berechnung des Phasengleichgewichtes greift PROPER auf das Phasengleichgewichtsprogramm der Dortmunder Datenbank / Prof. Gmehling (DDB) zurück.

Lesen Sie hierzu auch unseren Fachartikel!

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