Überhitzter- oder Sattdampf im Wärmetauscher

Brauche Eure "Meinung":
Man betreibe einen Rohrb√ľndelw√§rmetauscher, bei dem auf der Rohrseite Dampf bei 3 bara kondensieren m√∂ge. (Auf der Mantelseite koche bspw.
Wasser) Jetzt kommt die Gretchenfrage: Muss ich den W√§rmetauscher gr√∂√üer bauen, wenn ich ihn a) mit Sattdampf von 3 bara, oder b) mit √ľberhitztem Dampf von 370¬įC von 3 bara f√ľttere.
Wer sich dazu kurz Gedanken machen möchte, gerne!
Ich neige stark zur Ansicht a) Sehr viele neigen zur Ansicht b).
P.S.: Mir geht es nur um die Größe, nicht um Material, nicht um mechanisches Design, also eigentlich nur um das, was man unter Thermodynamik fassen könnte.
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Gruss Heiner

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Hi, das ergibt keinen Sinn, solange der Dampf "√ľberhitzt" ist, kommt es "theoretisch" nicht zur Kondensation. Also kannst Du b) fast beliebig klein bauen... Ansonsten gehts nur um den Durchsatz, den Fall a) mu√ü man also nicht nur thermodramatisch auslegen, sondern auch nach hydromechanischen und Werkstoffregeln...oder anders ausgedr√ľckt, es fehlt an zuvielen Informationen.
--
mfg,
gUnther
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Das habe ich vielleicht missverst√§ndlich ausgedr√ľckt; in beiden F√§llen kondensiere der Dampf im W√§rmetauscher. Mir geht es darum: stellt die √úberhitzung des Dampfes einen Vorteil oder einen Nachteil dar.
--
Gruss Heiner

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Heiner Veelken schrieb:

Hei√üerer Dampf √ľbertr√§gt mehr Energie als kalter Dampf, daher ist meine Antwort b).
Wenn man allerdings die Entropiezunahme betrachtet, halte ich a) f√ľr g√ľnstiger, weil der Phasen√ľbergang Sattdampf zu Wasser isotherm und damit auch die W√§rme√ľbertragung entropie-g√ľnstig (im Idealfall reversibel) erfolgen kann.
Möglicherweise ist das der Punkt der Verwechslung, der einige zu a) und andere zu b) neigen lässt.
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Tom Schneider wrote on Sun, 13-12-01 20:32:

Du meinst a), bei Heißdampf kleiner, oder?
Ich neige zum Gegenteil. Sattdampf kondensiert sofort, bei Hei√üdampf wird ein Teil der Fl√§che nicht nicht benetzt und der W√§rme√ľbergang ist der aus der Gasphase. Schlechterer W√§rme√ľbergang bedingt gr√∂√üere Tauscherfl√§che.
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Hi, insbesondere ist es einfach, ein isotherm betriebenes Rohrb√ľndel auszulegen. Dagegen w√§re bei "√ľberhitztem" Dampf eine variable Temperatur anzunehmen, das belastet Schwei√ün√§hte und Kontaktstellen, f√∂rdert Korrosion und erzeugt vermutlich auch Ger√§usche..."Arbeitsger√§usch".
--
mfg,
gUnther
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Heiner Veelken:

Mit f√§llt dazu spontan erstmal ein, da√ü das ohnehin wahrscheinlich vorhandene Kupferkabel aber auch hungrig sein wird. Vor diesem Hintergrund klingt es dann f√ľr mich erstmal verschwenderisch, bei Niedertemperaturw√§rme von um 'nen Energiefaktor 2, oder irgendsowas √ľberhitzten Dampfstr√∂men zu lesen.
Wo genau tauchen denn solche Zahlen auf?
Die Grösse des Wärmetauschers ist ja auch eine Funktion der am Zielort benötigen Temperaturen und der Leistung. Sind denn irgendwo die entsprechenden Wärmetauscher so gross, daß es Zweck haben könnte, daran rumzuminimieren?
Gruss
Jan Bruns
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Variante b).
Bei √ľberhitztem Dampf muss er erst einmal auf Kondensationstemperatur abgek√ľhlt werden. Das hat dann W√§rme√ľbergangskoeffizienten von Gas, die sind sehr niedrig im Vergleich zu denen f√ľr Kondensation. Und das kostet Fl√§che, vor allem wegen der gro√üen √úberhitzung von um die 240¬įC.
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Hi, wieso? Klar, sonderlich viel "kondensiert" dieser Kondensator nicht, aber "beschlagen" wäre der auch. Deshalb heißt er ja auch nicht so. Ansonsten braucht der Dampf dann eben mehrere Umläufe. Je nach Bauweise hat der WT aber Zonen geringerer Temp, dort wird es zuerst tröpfeln. Scheint doch keine rein hypothetisch-ideale Maschine zu sein.
--
mfg,
gUnther
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Am 02.12.2013 09:13, schrieb Thomas Koenig:

Sehe ich auch so.

ACK.

Ich denke entscheidender ist eher die sehr niedrige spez. W√§rmekapazit√§t von Wassergas das von 370 ¬įC bis auf ca. 134 ¬įC abgek√ľhlt wird, den dabei werden gerade mal 465 kJ/kg frei. Am Eingang des WT ist dagegen der Temperaturgradient zum √ľberhitzten Dampf noch gro√ü, was eher zu einer g√ľnstigen W√§rme√ľbergang f√ľhren sollte. Mit abnehmender Temp. (Richtung 134 ¬įC) geht der W√§rme√ľbergang dann in die Knie.
Die Kondensationsw√§rme bei 134 ¬įC betr√§gt dagegen schon ca. 2170 kJ/kg. Die Viskosit√§t des "k√ľhleren" Sattdampfes ist niedriger und die Gasdichte h√∂her. In sofern siegt bei mir der Sattdampf - ohne pr√§zise Berechnungen angestellt zu haben.
Just my 5 Cent.
--
Gl√ľck Auf - Bodo Mysliwietz
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Bodo Mysliwietz:

Danke f√ľr die Zahlenkorrektur.
Ich habe irgendwo (glaube bei wiki) gelesen, daß Fernwärmenetze teils sogar von Dampf auf Wasser umgestellt werden.
Das klingt im ersten Moment nat√ľrlich schr√§g.
Liegt das nur an den niedrigeren Temperaturen, die es sicherlich sehr viel wahrscheinlicher machen, daß unproduktive Abwärme und solarthermisch gewonnene Energie eingespeist werden kann?
Und wie stellt sich das vom Pumpaufwand her dar? Wahrscheinlich erstmal nicht so schön. Aber dennoch: Strömt ein kg Wasser vielleicht wenigstens leichter durch Rohre, als ein kg Dampf?
Gruss
Jan Bruns
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Hi, n√∂. Aber die Temp ist niedriger, die "Reichweite" dadurch h√∂her. Und der Aufwand f√ľr Sicherheit gegen Bersten sowie Korrosion deutlich niedriger, sofern die Trasse verbuddelt ist. Ein Wasser-System kann problemlos auch mal lange stehen, sofern es keine Froststellen hat. Ein Dampfsystem ist dagegen nur schwer anzufahren, alleine daf√ľr braucht man schon erheblich Personal. Beim Wassersystem dr√ľckt Heinerm√§nnchen ein Kn√∂ppsche...
--
mfg,
gUnther
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Jan Bruns schrieb:

Wenn die Fernwärme "Abfallprodukt" eines Kraftwerkes ist, dann verschlechtert sie den elektrischen Wirkungskrad des Kraftwerkes.
Wie sehr der elektrische Wirkungsgrad abfällt, hängt von der Temperatur ab, mit der die Wärme aus dem Kraftwerksprozess entnommen wird. Da gilt die Regel, je niedriger die Entnahmetemperatur um se besser der elektrische Wirkungsgrad.

Warum? Wenn das Rohrleitungssystem geschlossen ist, macht ein Höhenunterschied nichts aus. Dazu kommt, dass Wasser kaum kompressibel ist und damit mit geringerem Exergieverlust pumpbar ist.
Und schlie√ülich hat fl√ľssiges Wasser im Gegensatz zu Gasen aller Art eine riesige W√§rmekapazit√§t, die Umw√§lzung kann also vergleichbar langsamer als mit Gasen vor sich gehen.
Ich kann mir daher eigentlich nicht erkl√§ren, warum man mit Dampf arbeiten will, wenn fl√ľssiges Wasser geht.
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Da ich allein auf weiter Flur stehe, will ich mal meine Gedanken kurz skizzieren:
- Angenommen, beim dem mit Sattdampf betriebenen W√§rmetauscher w√§re die Rohrinnenwandtemperatur 125¬įC. Dabei m√∂ge der Dampf kondensieren. - Wenn der mit √ľberhitztem Dampf betriebene W√§rmetauscher "schlechter" arbeitete, m√ľsste die Rohrinnenwandtemperatur kleiner sein als eben diese 125¬įC. - Wenn diese Rohrinnenwandtemperatur kleiner w√§re, als 125¬įC, m√ľsste dann nicht erst recht Kondensation stattfinden?
Das mit dem schlechteren alpha von nicht kondensierendem Dampf wird wohl stimmen, aber vielleicht gilt es eben nur f√ľr NICHT kondensierenden Dampf. Ich habe dazu nach Suche eine Literaturstelle gefunden, die ich noch nicht bis ins einzelne seziert habe, Euch aber nicht vorenthalten m√∂chte: <http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj340/ar340071
--
Gruss Heiner

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Heiner Veelken:

Andersrum. Wenn der W√§rmetauscher √ľberhaupt nicht funktioniert, hat der die Dampftemperatur. W√ľrde der W√§rmetauscher perfekt funktionieren, w√ľrde er, sobald es Verbraucherseits k√ľhl wird, in seinem gesamten Material eine einzige Mitteltemperatur annehmen (per Mausklick umschaltbar, nat√ľrlich).

Klingt f√ľr mich nicht brauchbar.
Rechne doch besser erstmal mit dem Termperaturgef√§lle im W√§rmetsuchermaterial, dann d√ľrften sich solche Fragen nach Fluid√ľberg√§ngen wahrscheinlich eh' erstmal erledigt haben.
Gruss
Jan Bruns
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Da w√ľrde ich mal sagen, dass Du das nicht ganz richtig siehst. Wenn ein W√§rmetauscher gar nicht funktioniert, √ľbertr√§gt er keine W√§rme. Wo die dann riesigen W√§rme√ľbergangswiderst√§nde sind, dazu sind so pauschal keine Aussagen m√∂glich.
Desweiteren: Wenn die Rohrinnenwandtemperatur 125¬įC betr√§gt, m√∂ge dabei eine gewisse W√§rme an das Fluid im Mantel √ľbertragen werden. Wenn diese Rohrinnenwandtemperatur steigt, wird mehr W√§rme √ľbertragen, und wenn diese sinkt, wird weniger W√§rme √ľbertragen. Der Dampf, ges√§ttigt oder √ľberhitzt, hat keine andere Aufgabe als die Rohrinnenwandtemperatur "auf Trab zu bringen". Darum denke ich, dass Dein "Andersrum" nicht richtig ist. Oder t√§usche ich mich doch :-)

F√ľr das Rechnen ist es f√ľr mich zu fr√ľh:-) Erst einmal muss Einigkeit dar√ľber erzielt werden, was denn zu rechnen ist:-)
--
Gruss Heiner

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Heiner Veelken:

Vielleicht wollen wir uns dann erstmal auf ein Modell einigen, um Verwechslungen der ganzen Röhren zu vermeiden.
Sei T_dampf der Kondensationspunkt des angelieferten Dampfes bei einem fixierten Druck. Seien weiter T_vor und T_rueck die Vor- und R√ľcklauftemperaturen des Entnahmekreises (T_vor>=T_rueck).
Sei weiter T_prim die durchschnittliche Temperatur des W√§rmetauschers auf der seiner Grenzfl√§che zum Dampf, und T_sek die entsprechende Temperatur if√ľr den Entnahmekreis.
Dann gilt (solange der Verbraucherkeis nix einspeist) immer:
T_dampf >= T_prim >= T_sek >= T_vor >= T_rueck
Bei entsprechender technischer Dimensionierung kann man f√ľr den Entnahmekreis vorgeben, da√ü zumindest prinzipiell durch Wahl der F√∂rderdurchsatzes im Entnahmekreis T_rueck an T_vor beliebig weut angen√§hert werden kann. √Ąhliches git f√ľr an den Entnahmekreis angeschlossene Verbraucher: Die Differenz T_vot-T_rueck ist bei fixem Durchsatz proportional zur entnommenen Leistung.
Wird keine Leistung entnommen, ist T_vor=T_rueck, und sogar T_r√ľck=T_dampf.
Es gibt noch eine weitere durch die Konstruktion Stelle, an der sich vergleichsweise leicht berechenbare Verhältnisse ergeben:
Die Differenz T_prim-T_sek ist nämlich im wesentlichen proportional zur entnommenen Leistung, und dabei sogar weitgehend unabhängig vom Förderstrom im Entnahmekreis.
Gruss
Jan Bruns
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Jetzt entfernen wir uns zu weit vom eigentlichen Thema. Ich formuliere mal zunächst anders:
Was macht √ľberhitzter Dampf, der eine Wandtemperatur unterhalb der Kondensationstemperatur "sieht", die seinem Druck entspricht?
--
Gruss Heiner

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X-No-Archive: Yes
begin quoting, Heiner Veelken schrieb:

Er gibt Wärme an die Oberfläche ab. Das hat zwei Konseqenzen:
Die Dampftemperatur sinkt (isobar), die Oberfl√§chentemperatur steigt. (F√ľr letzteres kann man den "eingeschwungenen Zustand" annehmen, was dann bedeuten w√ľrde, da√ü bei dem sich einstellenden W√§rmestrom die Rohrtemperatur immer noch im Fl√ľssig-Bereich liegt.) Aufgrund der an der Oberfl√§che angesenkten Dampftemperatur und Tr√∂pfchenbildung stellt sich im Rohr ein Temperaturgradient von au√üen nach innen ein, aus dem der abgeleitete W√§rmestrom resultiert. Und der wiederum h√§ngt davon ab, wie turbulent die Rohrstr√∂mung ist, denn Turbulenz tr√§gt zus√§tzlich zum W√§rmestrom bei.
Es k√∂nnte sich sogar eine instabile Situation einstellen: manchmal str√∂mt der Dampf relativ laminar durch das Rohr, der W√§rme√ľbergangswiderstand ist hoch, de W√§rmestrom klein, es scheidet sich nur wenig Fl√ľssigphase ab (wir waren weit weg von der kritischen Temperatur?). Dann wird die Str√∂mung spontan gest√∂rt, es setzt Turbulenz ein, der W√§rme√ľbergang steigt, die Turbulenz wird durch die relativ h√∂here Volumenreduktion bei der verst√§rkten Kondensation selbstverst√§rkt. Der st√§rkere W√§rme√ľbergang erh√∂ht aber die Rohrtemperatur.
Nur ist diese Situation nicht √ľbertragbar auf Na√üdampf, denn der kann einen grunds√§tzlich anderen W√§rme√ľbergang udn bei gleicher mechanischer Konfiguration einen ganz anderen "eingechwungenen Zustand" liefern.
Ich habe leider keine Idee, was wirklich passiert. Wenn das nicht irgendwo steht, wird man um Experimente evtl. nicht herumkommen.
Relevant ist au√üerdem das Medium im Au√üenraum - dessen Verhalten bestimmt, wie effektiv das Rohr lokal und auch insgesamt gek√ľhlt wird, und hat somit R√ľckwirkungen auf die Vorg√§nge im Rohr.
Und wirklich isobar ist die Gschichte nat√ľrlich auch nicht, denn irgendwas mu√ü sowohl die Turbulenz als auch die Str√∂mung des Mediums antreiben, und das k√∂nnen nur Druckunterschiede sein. Zudem wird der W√§rmetransport nicht nur rein an den Stofftransport gekoppelt sein, sondern evtl. spielt auch noch IR-Strahlung im Medium eine gewisse Rolle.
Ich bin aber kein Verfahrenstechniker, sondern nur E-Ing. Gibt es keine Simulationssoftware, in die man das Problem reinschmeißen und das Verhalten numerisch durchspielen kann?
Gruß aus Bremen Ralf
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R60: Substantive werden groß geschrieben. Grammatische Schreibweisen:
adressiert Appell asynchron Atmosphäre Autor bißchen Ellipse Emission
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Da will ich nur mal eben auf letzteres eingehen; solche Software mag es geben; jedoch muss man wissen, was man ausrechnen will :-) Bis man das Problem wirklich genau beschrieben hat, hat man einiges Geld zum Fenster rausgeworfen, es sei denn, man findet jemanden, der wei√ü, was da physikalisch passiert. Und wenn man einen solchen hat, dann brauch ich die Software nicht mehr. Wir haben den W√§rme√ľbergang ausreichend im Griff; jedoch interessieren mich auch kleine Details.
Ich habe jetzt mal den VDI-W√§rmeatlas bem√ľht; "der" ist der Ansicht, dass √ľberhitzter Dampf an einer Wand, die eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur hat, kondensiert. Das denke ich auch. Hoffentlich n√§here ich mich langsam dem, was da passiert:-)
Ganz pauschal kann ich meine Fragestellung auch so formulieren: Ist es wirklich unter'm Strich besser, in den Dampf einen desuperheater einzubauen?
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Gruss Heiner

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