Zur Auslasstemperatur des Kühlmittels.
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Der Threadersteller arbeitet in einem Kraftwerk im Bereich des Dampfturbinenbetriebs. Ich habe in der Universität etwas über Wärmeübertragung gelernt. Es wurde stets ein Phänomen festgestellt, das sich mit dem, was man gelernt hat, nicht erklären lässt. Ich hoffe, dass die Experten eine Antwort geben können – wir sollten das gemeinsam besprechen. In Kraftwerken weisen sowohl Kondensatoren als auch Ölkühler – also alle Arten von Wärmeaustauschern mit solchen einfachen Oberflächen – eine Eigenschaft auf: Nach dem Drosseln des Abflusses des Kühlwassers steigt die Temperatur des Kühlwassers deutlich an. In der Schule habe ich gelernt, dass die Wärmeübertragung von der Fließgeschwindigkeit des Fluids, vom Temperaturunterschied zwischen den Flüssigkeiten sowie von der Fläche abhängt. Hier führt die Drosselung am Ausgang des Kühlmittels dazu, dass sich das Volumenstrom des Kühlmittels ändert – mit anderen Worten: Die Strömungsgeschwindigkeit ändert sich. Das geschieht beispielsweise durch Schließen der Ausgangstür. Wenn der Durchfluss abnimmt, verschlechtert sich die Wärmeaustauschwirkung sicherlich. Warum steigt die Ausgangstemperatur? Dadurch wird die Wärmeübertragung schlechter, wodurch die Menge an übertrager Wärme abnimmt. Gleichzeitig nimmt auch der Durchfluss ab. Es gibt hier zwei Variablen – wie kann man dann eine Beziehung zur Temperatur herleiten? Ich hoffe, der Experte kann das erklären – je einfacher und verständlicher, desto besser. Es wären auch Formeln hilfreich, da ich mit der Wärmeübertragung völlig am Anfang stehe. Es handelt sich um ein sehr einfaches Phänomen – nur weiß man theoretisch nicht, warum. Ich hoffe, ihr könnt mir dabei helfen, das zu analysieren.
Zunächst eine Bemerkung: Für die Erhöhung der Wassertemperatur im Kreislauf gibt es im Design selbst Vorgaben, und das gilt auch während des Betriebs. Temperaturerhöhungen von 8 Grad und 10 Grad sind gängige Designparameter.
Dieser Beitrag wurde zuletzt von wiseboy am 2016-1-21 um 19:48 bearbeitet. Es wird angenommen, dass die Wärmekapazität des Wassers Cp = 4,2 kJ/kg beträgt und die Anfangstemperatur des Wassers t1 = 30 °C ist. Dann gilt: Q = w · Cp · (t2 – t1) = w · 4,2 · (t2 – 30). ======================================== Zunächst gilt: w1 = 10 kg/s und t2 = 40 °C. Dann gilt: Q1 = w1 · 4,2 · (t2 – 30) = 10 · 4,2 · (40 – 30) = 420 kJ/s. ======================================== Wenn der Durchfluss verringert wird, gilt: w2 = 5 kg/s und die Temperatur steigt auf t2 = 45 °C. Dann gilt: Q2 = w2 · 4,2 · (t2 – 30) = 5 · 4,2 · (45 – 30) = 315 kJ/s. ======================================== Q2
Du meinst also, ich habe bereits über dieses Problem der Wärmekapazität nachgedacht – meine eigenen Gedanken sind ähnlich wie deine. Meine Frage ist: Warum sinkt der Durchfluss, während die Auswassertemperatur steigt? Du meinst also, dass man von den tatsächlichen Bedingungen ausgeht: In Wirklichkeit nimmt der Durchfluss ab, wodurch auch die Wärmemenge, die ausgetauscht wird, abfällt – Q1 > Q2. Doch der Durchfluss ändert sich so, dass W1 > W2 gilt. Meine Frage ist: Warum steigt die Temperatur des Ausgangswassers, wenn die Temperatur des Eingangswassers gleich bleibt? Mit anderen Worten: Was ist das Verhältnis zwischen △T1 und △T2? Nach Ihrer Aussage bedeutet das also, dass zwar Q1 > Q2 und W1 > W2 gilt. Aber da Q1/W1 < Q2/W2 ist, folgt daraus, dass △T1 < △T2 gilt. Die Erklärung scheint logisch zu sein – doch mir kommt sie etwas vage vor. Ich habe auch darüber nachgedacht: Ich kenne sowohl das Phänomen als auch das Ergebnis. Ich möchte lediglich eine theoretische Begründung finden. Mit dieser theoretischen Erklärung wird im Grunde versucht, von den tatsächlichen Ergebnissen aus rückwärts zu schließen; ohne konkrete Zahlen werden die Theorien anhand der tatsächlichen Ergebnisse analysiert. Reine Theorie kann ohne Daten keine Schlussfolgerungen ziehen, oder?
Energieerhaltung! Voraussetzung ist, dass die Ausgangstemperatur des gekühlten Materials konstant bleibt und auch der Durchfluss konstant ist – mit anderen Worten: Q bleibt unverändert. Q = w·cp·(t2–t1). Das bedeutet: w1·Δt1 = w2·Δt2. Da w1 > w2 gilt, folgt daraus, dass Δt1 < Δt2. Mit anderen Worten: Bei geringem Durchfluss ist die Temperaturdifferenz größer.
Das ist ein normales Phänomen: Wenn die Ausgangstür geschlossen wird oder die Frequenz der Zirkulationspumpe angepasst wird – beides sind kleine Eingriffe – steigt die Temperatur am Ausgang der Zirkulationswasser. Dadurch wird die Wärmeübertragung verbessert. Sie haben nur berücksichtigt, dass der Durchfluss geringer wird. Doch durch solche Eingriffe verringert sich nicht nur der Durchfluss, sondern auch die Strömungsgeschwindigkeit im Wärmetauscher. Dadurch verlängert sich die Zeit zur Wärmeübertragung. Das sind jedoch nur Auswirkungen bei kleinen Anpassungen. Das sind sicherlich Ratschläge von erfahrenen Fachleuten
Kann man das so erklären: Wenn man annimmt, dass die Wärmeaustauschanforderungen des warmen Fluids unverändert bleiben – also die Menge an abgegebener Wärme konstant bleibt – dann führt eine Verringerung des Durchflusses des kalten Fluids direkt zu einer Erhöhung der Temperatur des zurückfließenden Wassers
In Wirklichkeit ist das nicht der Fall, denn der Wärmeübergangskoeffizient hängt von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Daher ändert sich bei einer Änderung des Durchflusses auch die Menge an Wärme, die das Kühlmittel mitnimmt. Wenn der Durchfluss abnimmt, nimmt auch die tatsächliche Kühlleistung ab; weniger Wärme wird abtransportiert. Die Menge an Wärme, die vor und nach der Drosselung transferiert wird, ist unterschiedlich.
Hier gilt die Erhaltungssatz nicht – bei hohem Durchfluss ist die Kühlwirkung anders als bei niedrigem Durchfluss. Das bedeutet, die Menge an Wärme, die durch das Zirkulationswasser abtransportiert (aufgenommen) wird, ist nicht gleich – in den beiden Fällen ist Q unterschiedlich
Sollte das Kühleffekt nicht umso besser sein, je größer die Menge an Kühlwasser ist (je höher der Durchfluss)? Mit der Wärmeaustauscheffekt, von dem Sie sprechen, meinen Sie wohl die Kühlwirkung. Der Wärmeübergangskoeffizient hängt von der Strömungsgeschwindigkeit ab, innerhalb eines bestimmten Bereichs. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto besser ist die Wärmeübertragung. Was Sie gesagt haben – dass bei geringer Strömungsgeschwindigkeit eine bessere Wärmeübertragung stattfindet – sollte doch das Gegenteil sein, oder?
Wie professionell! Man muss noch mehr lesen!