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8. Juli 2019 Autor: Remo Hotz

Aus dem Inhalt

  • Grundlagen: Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager
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Berechnung des Kreuzstrom-Wärmeübertragers
Mit Gleichung (2) können die Korrekturfaktoren F der verschiedenen Strömungsführungen berechnet werden. Hier einige Beispiele für die Faktoren a, b, c und d [3]:

 Tabelle 1: Berechnungsfaktoren für den Korrekturfaktor F bei verschiedenen Strömungsführungen Tabelle 1: Berechnungsfaktoren für den Korrekturfaktor F bei verschiedenen Strömungsführungen
Für die Berechnung der Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager in der Raumlufttechnik stellt sich die Frage, welche Stromführung vorliegt.

Reiner Kreuzstrom
Das ist sozusagen die "natürliche" Strömungsführung beim Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager. Beide Ströme weisen am Austritt quer zur Strömung unterschiedliche Temperaturen auf, sie sind nicht quervermischt.

Einseitig und beidseitig quervermischt
Gemäß /4/ "äußert sich eine Quervermischung durch eine einheitliche Temperatur. Das sich dann im jeweiligen Fluid ergebende Temperaturprofil ist eindimensional". Der Temperaturgradient in Querrichtung ist also Null.

Beurteilung und Stand der Technik
Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager in der Raumlufttechnik werden immer nach dem Prinzip des reinen Kreuzstroms durchströmt. Das heißt, es gibt weder eine ein- noch eine beidseitige Quervermischung. Dies wird durch die VDI-Richtlinie 3805 Blatt 5 "Produktdatenaustausch in der TGA - Luftdurchlässe" wie folgt bestätigt: "DieTemperaturverteilung nach dem Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager ist inhomogen."
Stand der Technik ist somit, dass Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager als reine Kreuzströmer berechnet werden. Beweis für die Richtigkeit dieser Aussage sind die vielen Messungen, die zum Beispiel Eurovent im Rahmen der Zertifizierung von Plattenwärmeübertragern in auditierten Prüflabors durchführen ließ.
Es gibt mehrere Gründe, keine quervermischten Plattenwärmeübertrager in der Raumlufttechnik einzusetzen. Die notwendigen Einbauten würden den Druckverlust und die Kosten unnötig erhöhen, der Temperaturänderungsgrad würde im Vergleich zum reinen Kreuzströmer aber verringert. So sind mit dem beidseitig quervermischten Übertrager Rückwärmezahlen nur bis maximal 57 % erreichbar. Zum Vergleich: Ein gleich großer reiner Kreuzströmer erreicht 68,2 % (siehe dazu auch die Bilder 30, 31 und 32 im VDI-Wärmeatlas).

Berechnung des reinen Platten-Kreuzstromwärmeübertragers
Mit den Gleichungen (1) und (2) kann iterativ der Temperaturänderungsgrad Ø in Abhängigkeit von NTU berechnet werden. Das Ergebnis ist in der Grafik zusammengefasst. Sie zeigt identische Werte wie Bild 30 in /1/ und das Diagramm 3.4.3.5. in /2/. 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.
  • Der in der Ökodesign-Verordnung ab 2018 vorgegebene Wert einer Mindestrückwärmezahl von 73 % wird mit NTU = 4,24 erreicht.
  • Die Zielwerte liegen in einem Effizienzbereich, der bereits heute mit üblichen Kreuzstrom-Plattenwärmeübertragern abgedeckt wird /2/.

Der Temperaturänderungsgrad des reinen Kreuzstromwärmeübertragers als Funktion von NTUDer Temperaturänderungsgrad des reinen Kreuzstromwärmeübertragers als Funktion von NTU
Vergleicht man die Ergebnisse mit den praktischen Erfahrungen, kann man eine hohe Übereinstimmung feststellen. Dies gilt sowohl für die Messergebnisse auf Prüfständen als auch für die Erfahrungen auf ausgeführten Anlagen.

Zusammenfassung
Die Praxis zeigt durch Messwerte und Richtlinien, dass für die Berechnung der reine Kreuzstrom als Strömungsführung anzusetzen ist. Damit kann die höhere Effizienz und die Einhaltung der Vorgaben der Ökodesign-Verordnung auch berechnet werden.

Quellen
/1/ Roetzel, W und Spang, B. Berechnung von Wärmeübertragern. VDI-Wärmeatlas 10. Auflage, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2006
/2/ Heidemann, W. Berechnung von Wärmeübertragern. Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik, Vorlesung an der Universität Stuttgart 2015

 Autor
Dipl.-Ing. ETH Remo Hotz war bis 2016 Produktmanager Wärmerückgewinnung bei der Hoval AG, Vaduz/Liechtenstein und ist Vorsitzender des Compliance Committee Heat Recovery in der Eurovent-Certification, Paris.

 

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Artikelnummer: cci38390
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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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