Auslegung von Wärmeübertragern

Wärmeübertrager sind zentrale Komponenten energie-, verfahrens-, kälte- sowie wärmetechnischer Anlagen. Moderne Hochleistungswärmeübertrager sind aufgrund komplexer Strukturen nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand 3-D modellierbar. Im Gegensatz dazu bieten 1-D Auslegungsmethoden wie die Anwendung vereinfachender Kennzahlendiagramm (NTU-Diagramme) die Möglichkeit einer Grobauslegung des Wärmeübertragers. Allerdings ist die mit diesen Diagrammen erzielbare Genauigkeit aufgrund vereinfachender Annahmen z.T. stark eingeschränkt.

Eine Alternative zu 1-D und 3-D Modellierung stellt die Anwendung der Zellenmethode (Zellenmodellierung) dar. Dabei wird der Wärmeübertrager in Elementarzellen beliebiger Abmessungen unterteilt (diskretisiert), die entweder im Gleich-, oder im Gegen- oder im Kreuzstrom von den wärmeaufnehmenden bzw. wärmeabgebenden Medien durchströmt werden. Die spezifischen Eigenschaften der Zellenbereiche wie wärmeübertragende Fläche, Wärmeübergangs- oder Druckverlustcharakteristik sind als bekannt vorauszusetzen. Auf Basis bekannter physikalischer Gesetze kann das wärmetechnische Verhalten jeder Zelle in Form von Modellgleichungen beschrieben werden. Das Lösen dieser Modellgleichungen für die Gesamtheit aller Zellen liefert das thermische Verhalten des gesamten Wärmeübertragers. In die Zellenmodellierung können lokale Effekte wie Verschmutzung (Fouling) oder oberflächenvergrößernde Maßnahmen (Berippung) einbezogen werden.