Dreistufige Fernwärmeübergabestation zur Pufferspeicherbeladung

Die Wärmebereitstellung für die Trinkwassererwärmung erfolgt bei Fernwärmeanlagen über die Fernwärmeübergabestation. Um eine effiziente Beladung des Pufferspeichers zu erzielen, ist eine niedrige logarithmische Temperaturdifferenz bei der Auslegung der Wärmeübertrager anzustreben.

Das führt dazu, dass die Beladetemperatur des Pufferspeichers knapp unterhalb der Fernwärme-vorlauftemperatur liegt und gleichzeitig eine Abkühlung des Fernwärmewassers nahezu auf die Pufferspeicherrücklauftemperatur stattfindet.

Aus Untersuchungen zum Wärmeübertragungsverhalten ging hervor, dass für eine maximale Temperaturdifferenz von 85 K (von 10 °C auf 95 °C) zur Pufferspeicherbeladung drei Wärme-übertrager in Reihe zu verschalten sind. Des Weiteren hat sich aus technischer Sichtweise eine logarithmische Temperaturdifferenz von ca. 3 K als opimaler Wert erwiesen. Für Details wird auf die Funktionsbeschreibung in Kapitel 6.2.1 verwiesen.

Abbildung A.5 verdeutlicht das Betriebsverhalten der drei seriellen Wärmeübertrager für die Lastfälle des Altbaus im Sommerbetrieb mit Fernwärmevorlauftemperaturen von 85 °C, 95 °C und 110 °C. Zu sehen ist jeweils ein Zeitfenster der Tageslastgänge mit konstanten Betriebszuständen bei minimaler Leistung (Q’min) während des Zirkulationsbetriebes und maximaler Leistung (Q’max) gegen Ende des Spitzenlastbetriebs. Zu den primären und sekundären Ein- und Austritts-temperaturen wurden zusätzlich die Temperaturen zwischen den Wärmeübertragern (T1-2,prim, T2-3,prim, T1-2,sek, T2-3,sek) aufgezeichnet. Die maximal zulässige Pufferspeichertemperatur beträgt 95 °C.

Abb. A.5: Betriebsverhalten der dreistufigen Fernwärmeübergabestation zur Pufferspeicherbeladung

Die sekundäre Vorlauftemperatur (rot) schwankt für die Tageslastgänge mit 85 °C und 95 °C zwischen 1,9 K und 4,8 K um die eingestellte Sollwert-Differenztemperatur von 3 K. Für den Fall mit 110 °C liegt diese um +/-1,4 K an der Solltemperatur von 95 °C. Sowohl der Temperatur-anstieg über die Rückläufe als auch die Zwischentemperaturen variieren in Abhängigkeit der Wärmeleistung und der sekundären Temperaturdifferenz zur Pufferspeicherbeladung. Weiterere Einflüsse auf das Wärmeübertragungsverhalten und die Rücklauftemperatur ergeben sich aus

maximal zulässigen Pufferspeichertemperatur und Differenztemperatur liegen. Zu Spitzenlast-zeiten (Q’max) stellen sich für Fernwärmevorlauftemperaturen von 85 °C und 95 °C die Auslegungs-Temperaturdifferenzen von 2,9 K bis 4,8 K über die Rückläufe ein. Im Zirkulations-betrieb (Q’min) bei 85 °C und 95 °C sowie bei Übertemperatur fallen die Temperaturerhöhungen wesentlich geringer aus. Die Wärmeübertragung verlagert sich dabei in den oberen heißen Wärmeübertrager, da weniger Übertragungsfläche benötigt wird. Die Zwischentemperaturen nehmen entsprechend ab. Die Trägheit der drei seriellen Wärmeübertrager wird am Tageslast-gang 8 bei Q’min ersichtlich. Schnelle Temperaturänderungen an den Rückläufen treten bei den Zwischentemperaturen nur in abgeschwächter Form auf, wobei diese zeitweise unterhalb den Rücklauftemperaturen liegen und sich nur sehr langsam einpendeln. Im Auslegungsfall (Q’max) bei 85 °C und 95 °C stellen sich annährend gleiche Temperaturdifferenzen und Volumenströme ein, durch die Übertemperatur bei 110 °C reduziert sich hingegen der primäre Volumenstrom um 13,7 % bis 18,1 % und die Temperaturerhöhung (Grädigkeit) nimmt ab.

Das Betriebsverhalten von seriell verschalteten Wärmeübertragern ist sehr komplex und hängt maßgeblich von den eingesetzten Wärmeübertragern und den Betriebszuständen ab. Für die getestete Fernwärmeübergabestation der innovativen Hausstation wurde das Wärmeübertragungs-verhalten untersucht und analysiert.

Angaben zu den Wärmeübertragern sind in Tabelle A.12 zu finden.

Die dimensionslosen Kennzahl NTU (Number of Transfer Units) beschreibt die dimensionslose Übertragungsfähigkeit und beinhaltet die Parameter des Wärmedurchgangskoeffizienten k, der Übertragungsfläche A und des geringeren Wärmekapazitätsstroms C_min. Wird die dimensions-lose Kennzahl als Verhältnis der Temperaturdifferenz (Spreizung Vorlauf zu Rücklauf) T zur logarithmischen Temperaturdifferenz T_log ausgedrückt, wird ersichtlich, dass mit steigender Spreizung oder verminderter logarithmischer Temperaturdifferenz ein höherer NTU-Wert vorhanden sein muss.

Mit der bekannten Formel kann die zu übertragende Wärmeleistung berechnet werden.

log

, T k A T

c m

Q  _pm    _{; [kW]} (Glg. A.2) Die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz T_log am Wärmeübertrager ergibt sich aus den ein- und ausströmenden Medientemperaturen. Für den Gegenstrombetrieb ist T₁ die Differenz zwischen der Eintrittstemperatur des Fluids 1 und der Austrittstemperatur des Fluids 2, T₂ erhält man entsprechend über die beiden anderen Temperaturen.



Der Wärmedurchgangskoeffizient an der Übertragerfläche berechnet sich aus dem Kehrwert der in Reihe geschalteten thermischen Widerstände. Dieser setzt sich aus den reziproken Wärme-übergangskoeffizienten ₁ und ₂ sowie dem Wärmedurchgswiderstand an der Plattenoberfläche

Anhang

Mit der Annahme, dass sich für gleiche Wärmekapazitätsströme C₁ C₂ bei gleichem Fluid auch gleiche Wärmeübergangskoeffizienten ₁ ₂ ergeben, lassen sich diese durch Einsetzen von Gleichung A.2 in Gleichung A.4 wie folgt berechnen:

WÜB

In Abbildung A.6 ist das Betriebsverhalten der Fernwärmeübergabestation in Abhängigkeit der Reynolds-Zahl dargestellt. Die Volumenströme beider Fluide sind gleich, wodurch sich eine Temperaturspreizung von jeweils ca. 77 K (primär: 95 °C auf 18 °C bzw. sekundär: 15 °C auf 92 °C) ergibt. Die Höhe der Durchflüsse erfolgte in Anlehnung an die Auslegungskennwerte der Hausstation und liegt im Bereich zwischen 1,1 l/min und 6,2 l/min. Mit zunehmendem Durchfluss steigt die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz von 1,8 K auf 3,2 K an. Die Reynolds-Zahl bezieht sich auf die Geschwindigkeit im Plattenspalt des Wärmeübertrages.

Abb. A.6: Betriebsverhalten von Wärmeübertragern bei laminarer Durchströmung

Mit zunehmendem Wärmekapazitätsstrom nimmt die dimensionslose Übertragungsfähigkeit aufgrund der ansteigenden mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz ab während der Wärme-übergangskoeffizient ansteigt. Bei einem Durchfluss von 1,1 l/min stellt sich bei einer Reynolds-Zahl von 38 ein Wärmeübergangskoeffizient von ca. 1275 W/(m²K) ein. Die geringe Spaltbreite

Somit steht selbst bei laminarer Durchströmung noch ausreichend Übertragungsleistung zur Verfügung.

Bei Rohrbündelwärmeübertrager hingegen sinkt der innere Wärmeübergangskoeffizient durch das Ausbilden einer parabolischen Strömungsform im Rohrquerschnitt, was zu einer erheblichen Verminderung der Übertragungsfähigkeit führt.

Nachfolgend werden die Messergebnisse des Wärmeübertragungsverhaltens bei laminarer Durch-strömung in einen theoretischen Zusammenhang gebracht. Die Betrachtung erfolgt unter der Annahme, dass sich die laminare Durchströmung eines Plattenwärmeübertragers ähnlich wie in einem ebenen Spalt verhält.

Die Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten in einem ebenen Spalt basiert auf den Gleichungen im VDI-Wärmeatlas [54]. Dabei werden die Spaltbreite mit s und die angrenzenden Wandoberflächentemperaturen mit T_Ob bezeichnet.

Abb. A.7: Darstellung der Wärmeübertragung in einem ebenen Spalt

Der hydraulische Durchmesser d_h beträgt die doppelte Kanalbreite (Spaltbreite) s.

; [m] (Glg. A.6)

Mit dem hydraulischen Durchmesser als charakteristische Länge ergeben sich die Nusselt-Zahl Nu und Reynolds-Zahl Re im ebenen Spalt.

; [-] (Glg. A.7)

; [-] (Glg. A.8)

Die Nusselt-Zahl beschreibt den konvektiven Wärmeübergang eines strömenden Fluids an eine Oberfläche. Bei laminarer Strömung in einem ebenen Spalt berechnet sich die mittlere Nusselt-Zahl Nu_m aus den Randbedinungen gleicher Wandtemperaturen Nu₁ und hydrodynamisch

Anhang

; [-] (Glg. A.11)

Bei sehr kleinen Reynolds-Zahlen verliert gegenüber an Einfluss, daraus folgt:

→ . Die Nusselt-Zahl nimmt somit ein Minimum von 7,541 an und definiert die Untergrenze des Wärmeübergangskoeffizienten.

Setzt man die mittlere Nusselt-Zahl in Gleichung A.7 ein, erhält man den Wärmeübergangs-koeffizient  für den ebenen Spalt.

; [W/(m²K)] (Glg. A.12)

Es ergibt sich mit einer Wärmeleitzahl von _W 0,649W/(m²K) für Wasser bei 53 °C und einer Spaltbreite s des Wärmeübertrages von 1,92 mm ein minimaler Wärmeübergangskoeffizient von

min 1275

 W/(m²K).

Durch die Wellenprägung der Wärmeübertragerplatten ist weiterhin anzunehmen, dass der reelle Wärmeübergangskoeffizient geringfügig über dem theoretischen Ansatz des ebenen Spalts liegt.





3

1 Nu

Nu Nu_m  

Nu2 Nu₁

Num Nu₁

h W m

d Nu 

  ^