Ein Matrix-Berechnungsmodell zur Simulation und schnellen Berechnung der mittleren Temperaturdifferenz mehrgängiger Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager

Zusammenfassung

Zur konstruktiven Auslegung mehrgängiger Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager wird ein schnelles Berechnungsverfahren für die mittlere Temperaturdifferenz vorgestellt. Innerhalb der einzelnen Bereiche des Plattenwärmeübertragers findet eine reine Kreuzstromführung ohne Quervermischung statt. Zwischen den Bereichen hingegen werden beide Ströme aufgrund von Umlenkungen oder Mischungszonen stets quervermischt. Die einzelnen Plattenelemente eines Bereiches sind immer gleichmäßig durchflutet und werden direkt angeströmt. Das Berechnungsverfahren basiert auf einem allgemeinen Matrix-Simulationsmodell für zunächst beliebige Schaltungsvarianten. Bei den verschiedenen Baureihen der Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager werden bestimmte Randbedingungen für die Kopplung der Bereiche vorab festgelegt, um so immer eine möglichst optimale mittlere Temperaturdifferenz zu gewährleisten. Neben komplexen Schaltungsvarianten wird dabei auch die sog. Kreuzgegenstrom-Schaltung erhalten. Mit Bezug der Temperaturdifferenz einer Schaltung auf den Wert des Gegenstromapparates wird ein entsprechender Korrekturfaktor für die mittlere Temperaturdifferenz definiert. Verschiedene grundlegende Schaltungsvarianten werden verglichen und anhand dieses Korrekturfaktors bewertet. Für die in der Praxis relevanten Schaltungen wird das Simulationsmodell sehr schnell und einfach gelöst. Das Berechnungsverfahren kann zukünftig in die Auslegungssoftware entsprechender Plattenwärmeübertrager implementiert werden, um so immer die optimale Schaltung zu ermitteln.

Abstract

A fast calculation method for the mean temperature difference is presented for the design of multi-pass cross-flow plate heat exchangers. Within the individual areas of the plate heat exchanger, a pure cross-flow is obtained without cross-mixing. On the other hand, between the regions both streams are always cross-mixed due to redirection or mixing zones. The individual plate elements of a region are always uniformly fluid-supplied. The calculation method is based on a matrix simulation model for general circuit variants. In order to ensure the optimal possible mean temperature difference for various series of cross-flow plate heat exchangers, specific boundary conditions for the coupling of the regions are predetermined in advance. Next to different complex circuits, also the so-called cross-countercurrent circuit is obtained. A corresponding correction factor for the temperature difference is determined with reference to the temperature difference of the counter-flow. Basic circuit variants are compared and evaluated using this correction factor. The simulation model can be solved quickly and effectively for the circuits that are relevant in practice. In order to determine an optimal circuit, the calculation method can be implemented into the software for the thermal design of corresponding cross-flow heat exchangers.