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Wärmeübertragersimulation

Problemstellung

In dem Tutorial wird die Simulation eines Wärmeübertragers an einem Beispiel demonstriert.

Mit heißem Prozesswasser (130 °C, 2,7 bar, 50 m³/h) soll Wasser (1,5 bar, 20 m³/h) von 10°C auf

mindestens 90°C erwärmt werden. Der Wärmeübertrager soll im Gegenstrom betrieben werden.

Hierbei soll das Prozesswasser, welches in den Rohren strömt, nicht weiter als um maximal 50 K

abgekühlt werden. Aus einer Altanlage wird ein Rohrbündelwärmeübertrager ausgebaut,

welcher nun für diese Aufgabe verwendet werden soll. Die Daten des Wärmeübertragers sind

Tabelle 1 zu entnehmen.

Tabelle 1: Geometrische Daten des Wärmeübertragers

Bauform TEMA R/ BEM (siehe Abbildung 1)

Material Schwarz-Stahl (auch C Stahl oder Baustahl)

Mantelinnendurchmesser [m] 0,8

Anzahl der Rohre 670

Länge der Rohre [m] 4

Rohranordnung gedrehte Dreiecksform (60°)

Rohrabstand 1,25 ∙ 𝑑𝑡𝑢𝑏𝑒

Rohrabmaße 𝑑𝑜𝑢𝑡 = 19 𝑚𝑚; 𝑑𝑖𝑛 = 16 𝑚𝑚

Anzahl der Umlenkbleche 11

Abstand der Umlenkbleche [m] 0,32

freier Querschnitt in der Mantelseite [%] 30

Stutzendurchmesser (rohrseitig) [m] 0,1

Stutzendurchmesser (mantelseitig) [m] 0,15

Im Folgenden soll mittels eines Ratings untersucht werden, ob dieser Wärmeübertrager die

geforderte Leistung erfüllt und der Druckverlust (rohr- als auch mantelseitig) von 0,5 bar nicht

überschreitet wird.

Abbildung 1: Bauform des Wärmeübertragers BEM http://www.engineeringpage.com/heat_exchangers/tema.html

Lösungsprinzip und Annahmen:

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Zur Lösung des Problems wird neben CHEMCAD Steady State auch CC-THERM benötigt.

CC-THERM ist ein Add-on Programm und umfasst die rigorose Simulation von

Wärmeübertragern.

In CHEMCAD Steady State besteht bereits die Möglichkeit Wärmeübertrager durch eine einfache Energie- und Massenbilanz zu simulieren. Es wird jedoch kein Wärmedurchgangskoeffizient berechnet und die Bauart und die konstruktiven Parameter werden nicht berücksichtigt. Mit CC-THERM werden rigorose Berechnungen von folgenden Wärmeübertragerarten angeboten: Rohrbündel-, Platten-, Doppelrohrwärmeübertrager und Luftkühler. Es kann zwischen Auslegung (Design) und Bewertung (Rating) eines bestehenden Wärmeübertragers gewählt werden. Bei der Bewertung eines Wärmeübertragers sind die konstruktiven Daten (wie z.B. die Anzahl der Rohre, die Maße der Rohre, die Anzahl der Umlenkbleche usw.) des Wärmeübertragers bereits bekannt. Für ein vorgegebenes Stoffgemisch kann so überprüft werden, ob die geforderte Leistung mittels des vorhandenen Wärmeübertragers erreicht werden kann. Die Auslegung und die Berechnung des Wärmeübertragers erfolgt nach internationalen Standards: TEMA, ASME, DIN oder British Standard.

Für die vorliegende Simulation wird als thermodynamisches Modell zur Enthalpieberechnung die IAPWS-IF97 Dampftafel verwendet. Da lediglich die Komponente Wasser vorhanden ist wird keine Mischungsthermodynamik benötigt. Es wird daher das einfachste Modell (ideales Raoultsches Gesetz, VAP) gewählt. In Tabelle 2 sind die wichtigsten Simulationsdaten zusammengefasst.

Tabelle 2: Zusammenstellung der Simulationsdaten

Einheiten Komponenten Thermodynamik Feedströme k Unit Operations

Common SI

Wasser

K: VAP, H: IAPWS

Hot:

𝑇𝐸𝑖𝑛 = 130°𝐶

𝑝 = 2,7 𝑏𝑎𝑟

𝜈 = 0

�̇�𝐻𝑜𝑡 = 50 𝑚3/ℎ

Cold:

𝑇𝐸𝑖𝑛 = 10°𝐶

𝑝 = 1,5 𝑏𝑎𝑟

�̇�𝑐𝑜𝑙𝑑

= 20 𝑚3/ℎ

1 Wärmetauscher;

2 Feeds;

2 Products

Zusätzlich soll der heiße Strom (Hot) eine Austrittstemperatur größer als 80 °C und der kalte

Strom (Cold) eine Austrittstemperatur von 90°C haben.

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Umsetzung der Wärmeübertrager Simulation in CHEMCAD:

Zunächst wird das Flowsheet mit dem Wärmeübertrager mit CHEMCAD Steady State erstellt und

die Feedströme wie in Tabelle 2 gegeben definiert, siehe Abbildung 2.

Abbildung 2: Flowsheet mit Wärmeübertrager

Der Wärmeübertrager kann im Einstellungsfenster (Abbildung 3) über verschiedene Parameter spezifiziert werden. Unter anderem kann die Wärmeaustauschfläche A und der Wärmedurchgangskoeffizient k definiert werden, aus denen anschließend die Prozessdaten der Ausgangsströme berechnet werden. Weitere Einstellungsmöglichkeiten (u.a. Angabe von Temperatur, Dampfgehalt, minimaler Temperaturdifferenz) sind ebenfalls möglich. Unter Utility Option kann der benötigte Massenstrom eines der Feedströme in Abhängigkeit des anderen und der eingestellten Parameter berechnet werden. Die Definition der Stromführung und die Einsicht der berechneten Ergebnisse erfolgt unter Misc. Settings.

Für diese Simulation wird die Ausgangstemperatur des kalten Stroms definiert. Laut Aufgabenstellung soll sie mindestens 90°C betragen. Es wird eine Temperatur von 95°C spezifiziert. Eine Angabe ist für die Simulation eines einfachen Wärmeübertragers ausreichend.

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Abbildung 3: Einstellungsfenster des Wärmetauschers HTXR

Die Simulation wird gestartet. Es ergeben sich die in Abbildung 4 dargestellten Ergebnisse. Beide Ströme haben eine Ausgangstemperatur von etwa 95°C, sodass die Bedingung, dass der heiße Strom nicht unter 80°C abgekühlt werden soll, erfüllt wird.

Abbildung 4: Ergebnistabelle des einfachen Wärmeübertragers

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Für die rigorose Simulation wird nun CC-THERM unter „Sizing: Heat Exchangers“ (Abbildung 5) aufgerufen.

Abbildung 5: Pfad für Aufruf von CC-THERM

Nach der Auswahl des Rohrbündelwärmeübertragers erfolgt als erstes eine Abfrage, welcher Feedstrom in den Rohren durch den Wärmeübertrager strömen soll (Abbildung 6) und falls nicht bereits zuvor angewählt, um welchen Wärmeübertrager es sich im Flowsheet handelt. In diesem Beispiel strömt das heiße Prozesswasser in den Rohren.

Abbildung 6: Definition des in den Rohren strömenden Feedstroms

Anschließend wird von CHEMCAD das Q-T- Diagramm (Heat Curve) erstellt (Abbildung 7). In der Regel wird dieses aus 11 Punkten erstellt (Voreinstellung). Ebenfalls kann in dem Einstellungsfenster „Heat Curve Parameters“ zwischen Gleich- und Gegenstrom gewählt werden.

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Abbildung 7: Parameterfenster des Q-T- Diagramms

In dem Q-T- Diagramm ist bereits ersichtlich, ob es zu einem Phasenwechsel innerhalb des Wärmeübertragers kommt. Wenn es bei einem Einstoffgemisch zu einem Phasenwechsel kommen würde, ist zu erwarten, dass die Temperatur beim Phasenwechsel nicht weiteransteigt und somit ein waagerechter Verlauf zu erwarten ist. In dem untersuchten Beispiel ergibt sich das in Abbildung 8 dargestellte T-Q- Diagramm. Es liegt kein Phasenwechsel vor. Des Weiteren können die zu erwartenden Ausgangstemperaturen abgelesen werden. Die in dem Diagramm verwendeten Daten kommen aus der zuvor erstellten Wärmeübertragersimulation aus dem CHEMCAD Steady State Modul.

Abbildung 8: Q- T- Diagramm

Nach Bestätigung durch „Ok“ öffnet sich automatisch das nächste Fenster für die allgemeinen Einstellungen des Wärmeübertragers (Abbildung 9). Unter Calculation mode kann zwischen dem Design oder Rating Fall gewählt werden. Unter TEMA class/standard wird die Berechnungsgrundlage für die geometrischen Details ausgewählt.

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Hierfür stehen verschiedene internationale Standards zur Verfügung. Voreingestellt ist der TEMA Standard R (Tubular Exchanger Manufacturer’s Association Type R). Anschließend wird der geometrische Aufbau des Wärmeübertragers definiert. Der Aufbau wird mittels des TEMA Standards angegeben.

In dem Beispiel soll ein vorgegebener Wärmeübertrager für die gegebenen Ströme bewertet werden. Es liegt ein Wärmeübertrager nach TEMA Bauart vor. Es handelt sich hierbei um die TEMA Klasse R mit der Form BEM (Abbildung 1). CHEMCAD erkennt automatisch aus den voreingestellten Prozessparameter, ob es zu einem Phasenwechsel kommt und wählt das jeweilige Berechnungsmodell unter Process type aus. Der Fouling Faktor ist in CHEMCAD mit 0,000176109 m²K/W voreingestellt, kann jedoch manuell verändert werden.

Abbildung 9: Allgemeines Einstellungsfenster des CC-THERM Moduls für Rohrbündel- WT

Unter Modeling Methods (Abbildung 10) können die Berechnungsmethoden, z.B. für den laminaren oder turbulenten Fall, nach Bedarf angepasst werden.

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Abbildung 10: Einstellungsfenster des CC-THERM Moduls für Rohrbündel- WT, Reiter: Modeling Methods

Nach Bestätigen wird automatisch das nächste Einstellungsfenster geöffnet. Im Folgenden werden die geometrischen Daten des Wärmeübertragers näher definiert. Zunächst werden Angaben zum Rohrbündel gemacht (Abbildung 11).

Abbildung 11: Einstellung des Rohrbündels

Im Rating Fall können alle Eingabefelder bearbeitet werden. Im Designfall werden Anzahl der und Länge der Rohre berechnet und sind somit nicht editierbar. In CHEMCAD sind bereits

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voreingestellte Werte für ein Rohrbündelwärmeübertrager vorhanden. Bei den Rohrabmaßen handelt es sich hierbei um ein 3/4 inch Rohr. Alle Werte können jedoch manuell überschrieben werden.

Die geometrischen Daten des Wärmeübertragers werden, wie in Tabelle 1 angegeben, eingestellt. Die voreingestellten Werte wie z.B. Dicke des Rohrblechs (Tubesheet thickness) werden entsprechend übernommen.

Als Nächstes öffnen sich die Manteleinstellungen (Abbildung 12). Neben Angabe des Manteldurchmessers kann ebenfalls eingestellt werden, ob mehrere Wärmeübertrager in Reihe oder Serie geschaltet werden sollen.

Abbildung 12: Manteleinstellungen

Die Anschlussstutzen können im darauffolgenden Fenster (Abbildung 13) spezifiziert werden. Auch hier liegen bereits voreingestellte Werte vor, die manuell bei Bedarf angepasst werden können. Die Stutzendurchmesser für die Rohrseite beträgt 0,1m und für die Mantelseite 0,15m.

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Abbildung 13: Spezifikation der Anschlussstutzen

Geometrische Abmaße und Anordnungen für Umlenkbleche können im nächsten Fenster (Abbildung 14) eingestellt werden. Werden dort keine Werte vorgegeben, berechnet CHEMCAD diese mit dem CC-THERM Berechnungsalgorithmus.

In dem gegebenen Wärmeübertrager liegen elf Umlenkbleche vor, die 70% des Querschnitts verdecken. Der freie Querschnitt im Mantel beträgt somit 30%. CHEMCAD berechnet automatisch die Abstände der Umlenkbleche.

Abbildung 14: Einstellungen der Umlenkbleche

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In den folgenden sich öffnenden Fenstern werden geometrische Abstände innerhalb des Wärmeübertragers (Clearance Specifications: Abbildung 15) definiert, das Material des Wärmeübertragers eingestellt (Material Specifications: Abbildung 16) und unter Miscellaneous Specifications (Abbildung 17) können einige zusätzliche Einstellungen, wie z.B. die Angabe der zu erbringenden Wärmeleistung, gemacht werden.

Es werden keine weiteren Einstellungen in den nächsten Fenstern getätigt. Der Wärmeübertrager besteht aus Schwarzstahl, sodass in Abbildung 16 keine Änderung vorgenommen werden. Alle weiteren voreingestellten Werte werden übernommen. Die geometrischen Daten wie z.B. Abstände innerhalb des Wärmeübertragers haben einen geringen Einfluss auf die Simulation und sind eher für den Aufbau des Wärmeübertragers entscheidend. Die Eingabe dieser Daten ist für die Simulation nicht zwangsläufig erforderlich.

Abbildung 15: Einstellungsfenster für die geometrischen Abstände im Wärmeübertrager

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Abbildung 16: Einstellungsfenster für die Materialauswahl

Abbildung 17: Einstellungsfenster für sonstige Einstellungen

Nachdem sämtliche Einstellungen abgeschlossen sind, erscheint das CC-THERM Hauptmenü des Rohrbündelwärmeübertragers (Abbildung 18).

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Abbildung 18: Hauptmenü des Rohrbündelwärmeübertragers

Über den Befehl Calculate wird der Wärmeübertrager mit den zuvor eingegebenen Daten rigoros simuliert. Die Ergebnisse der Berechnung können unter View Results eingesehen werden. Es besteht außerdem die Möglichkeit sich die Ergebnisse in Excel oder als Text- Datei ausgeben zu lassen. Unter Select Reports können gewünschte Reportsektionen ausgewählt und anschließend mit Generate Reports erstellt werden (Abbildung 19).

Abbildung 19: Auswahl der Reportsektionen

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Um die Berechnung von CC-THERM in die CHEMCAD Simulation einzufügen, wird nun das Hauptmenü über Exit geschlossen. Die Änderungen werden gespeichert. Das Einstellungsfenster des zuvor erstellten Wärmeübertragers wird nun durch Doppelklick geöffnet. Unter Simulation mode wird auf die Option 1 Shell & tube simulation umgestellt. Nun werden die zuvor in CC-THERM eingestellten konstruktiven Daten für die Wärmeübertragersimulation verwendet (Abbildung 20). Die Simulation wird erneut gestartet.

Abbildung 20: Umstellen auf die CC-THERM Simulation

Bewertung der Simulationsergebnisse

Nach der Simulation wird die Ergebnistabelle aktualisiert (Abbildung 22). Es ist zu erkennen, dass die Austrittstemperatur des heißen Stroms nun auf ca. 85°C (vorher: 95 °C) abgekühlt wird. Die Austrittstemperatur des kalten Stroms beträgt nun 110°C. Folglich erfüllt der Wärmeübertrager die geforderte Leistung. Aus den Ergebnissen des Wärmeübertragers kann u.a. der Druckverlust abgelesen werden (Abbildung 21). Der Druckverlust ist sowohl rohr- als auch mantelseitig unter 0,5 bar. Diese Anforderungen werden also erfüllt. Allerdings kommt es auf der kalten Seite nun auf Grund der erhöhten Austrittstemperatur und des Druckverlustes zu einer Verdampfung von ca. 2% des Wassers. Da dies in der Regel nicht erwünscht ist sind weitere Maßnahmen (z.B. eine Erhöhung des Drucks auf der kalten Seite) notwendig, um den Wärmetauscher für die gewünschte Aufgabe einzusetzen.

Abbildung 21: Ergebnistabelle des Wärmeübertragers

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Abbildung 22: Ergebnistabelle nach der CC-THERM Simulation

Neben dieser Ergebnisausgabe im Flowsheet ist es möglich sich eine Zusammenfassung der CC- THERM Ergebnisse z.B. in Form eines TEMA- Datenblatt ausgegeben zulassen, siehe Abbildung 19. Optimierungsansätze Es besteht ebenfalls die Möglichkeit der Auslegung (Design) eines Wärmeübertragers in CHEMCAD. Hierfür müssen keine konstruktiven Daten bekannt sein. Es müssen lediglich die gewünschte Wärmeleistung oder die gewünschten Austrittstemperaturen vorgegeben werden. Im Design- Mode werden die konstruktiven und geometrischen Daten berechnet.

Ein weiterer Optimierungsansatz wäre, zu untersuchen in wie weit sich der Wärmeübergang verschlechtert, wenn Rohre innerhalb des Wärmetauschers verstopfen und zugeschweißt werden müssen. Das Verschließen von Rohren wäre eine Möglichkeit um im obigen Beispiel die Verdampfung auf der kalten Seite zu verhindern, indem die Wärmeaustauschfläche verringert wird. Eine weiterte Fragestellung wäre wie viele Rohre maximal ausfallen können, um die geforderte Leistung noch zu erzielen? Mittels CC-THERM kann die Simulation für eine verminderte Rohranzahl durchgeführt werden und der Einfluss auf die Wärmeleistung untersucht werden. Darüber hinaus bietet sich die in CHEMCAD verfügbaren Werkzeuge der Sensitivitätsanalyse und der SQP Optimierung an um verschiedene Parameter und Szenarien zu untersuchen.

In dem Bereich der Wärmerückgewinnung wird häufig ein Wärmeübertrager mit Bypass- Konstruktion verwendet. Tritt im Sommer der Fall ein, dass auf Wärmerückgewinnung verzichtet werden muss, wird z.B. das heiße Abgas über den Bypass am Wärmetauscher vorbeigeleitet. Die

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Simulation eines Bypasses kann in CHEMCAD z.B. mit Hilfe von Reglern (Controller) erfolgen, sodass verschiedene Betriebsszenerien schnell untersucht werden können.

Die Verwendung von CC-THERM für andere Wärmeübertragerarten (Platten- und Doppelrohrwärmeübertrager und Luftkühler) erfolgt auf dieselbe Weise und kann weiteren Tutorials entnommen werden.

Interessieren Sie sich für weitere Tutorials, Seminare oder andere Lösungen mit CHEMCAD?

Dann nehmen Sie mit uns Kontakt auf:

Mail: support@chemstations.eu

Tel. : +49 (0)30 20 200 600

www.chemstations.eu

Autor: Lisa Weise