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8. Juli 2019 Autor: Remo Hotz

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  • Grundlagen: Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager
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Grundlagen: Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager

Messungen auditierter Prüflabors zeigen, dass Plattenwärmeübertrager die Vorgaben der Ökodesign-Verordnung an zentrale RLT-Geräte mit Luftvolumenströmen über 1.000 m³/h erfüllen. Mit Hilfe des VDI-Wärmeatlas /1/ kann dies theoretisch erklärt werden.

Berechnung eines Wärmeübertragers nach dem VDI-Wärmeatlas
Nachfolgend wird das Konzept der mittleren Temperaturdifferenz auf den gesamten Wärmeübertrager angewendet. Dies führt mit einfachen Formeln und Diagrammen schnell und ausreichend genau zum Ergebnis. Dazu sind einige idealisierte Annahmen, auch zur Strömungsführung, zu treffen. Bezüglich der Wärmerückgewinnung erleichtern folgende Definitionen die Berechnung:

  • gleiches Medium bei beiden Strömen (Luft)
  • gleicher Massenstrom bei beiden Luftvolumenströmen (Außenluft und Abluft)

Nach einigen Umstellungen und der Einführung dimensionsloser Größen erhält man die allgemein gültige Formel für verschiedene Stromführungen

∅ = (NTU * F) / (1+NTU * F) (Gl. 1)

Ø = Temperaturänderungsgrad (Rückwärmzahl)
NTU = Number of Transfer Units (bei gegebenem Fluid wird dadurch die Mächtigkeit bzw. die Größe eines Übertragers ausgedrückt)

Der Korrekturfaktor F hängt von der Strömungsführung (Gegenstrom, Gleichstrom usw.) und von NTU ab:

F = 1 / (1+a * R1db∙N1b)c ) (Gl. 2)

Der Korrekturfaktor F für einen Gegenstromwärmeübertrager ist gemäß Definition 1,0. Die Faktoren a, b, c und d hängen von der Stromführung ab und sind beispielsweise in der Tabelle 2 des VDI-Wärmeatlas aufgeführt.

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Artikelnummer: cci38390

Kommentare (2):

Bei den Aussagen zu "Effizienz" fehlen mir hier doch die Werte für die Druckverluste über den Plattenwärmetauscher. Wenn davon gesprochen wird :
"Folgendes lässt sich daraus ableiten:
Der Temperaturänderungsgrad (=Rückwärmzahl) wird mit steigendem NTU höher. Je größer der Übertrager und je besser der Wärmeübergang, desto höher ist die Effizienz. Mit NTU -> ? erhält man einen Wert nahe 1,0."

- welcher Durckverlust wäre dem "Unendlichen" an NTU zuzuordnen ?

Sicherlich wird bei entsprechendem Geräteaufbau die Ventilatorwärme auch "zurück gewonnen", aber weniger Widerstand (Druckverlust) am WRG würde auch weniger Strom im Ventilator verbrauchen (dann spreche ich von Effizienz).
Rüdiger Heß 09.07.2015
Der interessante Bericht gibt einen Ausblick in die Auslegung von Rekuperatoren. Richtig ist, dass die Rückwärmzahl mit steigender NTU ( Number of transfer Units ) größer wird. Dabei muss konstruktiv sichergestellt sein das der Stoffübergangskoeffizient,
das ist Diffusionsgeschwindigkeitskonstante die sich aus dem Stoffmengenstrom der Stoffübertragungsfläche und der Konzentrationsdifferenz als Triebkraft errechnet, nicht schlechter wird.
Schauen wir nun einmal durch die ErP Brille, dann sehen wir, dass auf der einen Seite eine gewisse Effizienz in der Wärmerückgewinnung mit einem maximal erlaubten Druckverlust verbunden ist. An dieser Stelle bewegen wir uns in dem Dreieck der Auslegung von Rekuperatoren. Auf der einen Seite haben wir den Temperaturänderungsgrad oder Wirkungsgrad. Im Wesentlichen ist dieser Wert durch die Wirkweise des Rekuperators, Gleichstrom oder Gegenstrom usw. und die Fläche bestimmt. Zum zweiten haben wir die Seite des Druckverlustes. Hier spielen der Plattenabstand, die Oberfläche und die durchströmte Länge eine Rolle. Zum dritten haben wir die Abmessungen des Gerätes. Der Technikraum und das für das Gerät verfügbare Volumen haben hier einen deutlichen Einfluss. Für die Klimatechnik bedeutet das, dass der hohe Wärmerückgewinnungsgrad in einem begrenzten Bauvolumen des Gerätes zu einem großen luftseitigen Druckverlust führt. Das Effizienzkriterium kann erreicht werden, das Effizienzkriterium für die elektrische Leistung wird schon schwieriger. Ob hier der erforderliche Schnittpunkt der ErP getroffen wird ist fraglich. Speziell wenn man die zweite Forderung der ErP Richtlinie sieht, welche fordert dass die Geräte mit einem thermischen Bypass ausgerüstet werden müssen. Dieser Bypass wird in der Regel in das Gerät integriert und verringert damit die Bautiefe des Rekuperators, und damit die Fläche. In der Regel ist das damit verbunden, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Rekuperator und damit der luftseitige Druckverlust ansteigt.

Ein Punkt der in der ganzen Diskussion vergessen wird, ist in der VDI 3803 genannt. Diese schreibt bei Wärmübertragern vor, dass aus Gründen der Hygiene eine durchgängige Reinigung zu gewährleisten ist.

Die Auslegung von Rekuperatoren unter der ErP Richtlinie birgt einige Stolperstellen. Diese müssen beachtet und gelöst werden, damit die Hersteller von RLT Geräten das Leistungsversprechen mit ruhigem Gewissen abgeben können.

Christian Zywicki, Menerga GmbH, 14.07.2015
Christian Zywicki 14.07.2015

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