{"id":2288,"date":"2017-07-21T10:17:48","date_gmt":"2017-07-21T08:17:48","guid":{"rendered":"http:\/\/www.htflux.com\/de\/?p=2288"},"modified":"2017-07-21T15:55:28","modified_gmt":"2017-07-21T13:55:28","slug":"thermische-simulation-schornstein-abgas-zuluft-kanal-rohrstroemung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.htflux.com\/de\/thermische-simulation-schornstein-abgas-zuluft-kanal-rohrstroemung\/","title":{"rendered":"Thermische Simulation eines Schornsteins mit integriertem Zuluftkanal"},"content":{"rendered":"

Um die N\u00fctzlichkeit des neuen str\u00f6mungsdynamischen Berechnungstools zu demonstrieren, f\u00fchren wir eine einfache aber interessante thermische Simulation eines Schornsteins durch. Selbstverst\u00e4ndlich kann das Tool und das Verfahren f\u00fcr vielf\u00e4ltige Anwendungsf\u00e4lle mit Rohrstr\u00f6mungen (Luft, Gas, Wasser, \u00d6l, K\u00fchlmittel..) herangezogen werden.<\/p>\n

Das simulierte Modell des Schornsteins<\/h3>\n

Wir werden in diesem Beispiel eine station\u00e4re thermische Simulation eines Schornsteins mit integriertem Zuluftkanal durchf\u00fchren. Wir nehmen an, dass sich der Schornstein gro\u00dfteils freistehend in einem beheizten Raum befindet. Die Raumtemperatur wird mit 23\u00b0C angenommen. Der Schornstein besteht aus Formsteinen, gefertigt aus zwei Leichtbeton-Typen unterschiedlicher Dichte. Das Abgasrohr bestehe aus Edelstahl, w\u00e4hrend der Luftkanal als nicht-verkleideter Hohlraum im Formstein angenommen wird. Der Luftspalt um das Abgasrohr wird mit Hilfe des dynamischen ISO 6946 Lufthohlraum-Materials modelliert, die punktuellen Abstandhalter k\u00f6nnen in der Simulation vernachl\u00e4ssigt werden. Der Rohrdurchmesser des Rauchgasrohrs ist 30 cm und jener des Zuluft-Kanals 20 cm. Au\u00dfen ist der Schornstein mit einer 1,5 cm starken Kalk-Zementputzschicht verkleidet.<\/p>\n

\"Schornstein-mit-integrierter-Zuluft,<\/a><\/p>\n

W\u00e4rme\u00fcbergang aus dem Rauchgas und Zuluft-Kanal<\/h3>\n

Die Durchf\u00fchrung der thermischen Simulation des recht einfachen Details bereitet mit HTflux wenig Aufwand. Entscheidend ist in diesem Beispiel die Modellierung des W\u00e4rme\u00fcbergangs der beiden Rohrstr\u00f6mung. Durch die Integration des neuen Berechnungstools f\u00fcr Rohrstr\u00f6mungen<\/a> kann auch diese Aufgabe mit HTflux recht einfach bewerkstelligt werden. Hierbei wird der W\u00e4rme\u00fcbergang der Str\u00f6mung einfach durch die Verwendung einer Temperatur-Randbedingung abgebildet. Diese definiert sich durch die mittlere Temperatur des str\u00f6menden Gases und einem geeigneten W\u00e4rme\u00fcbergangswiderstand. Mit Hilfe dieses W\u00e4rme\u00fcbergangswiderstandswertes kann der gesamte komplexe Vorgang der W\u00e4rme\u00fcbertragung von der Str\u00f6mung auf die Rohrwand dargestellt werden. Der spezifische Wert hierf\u00fcr kann mithilfe des neuen Tools in HTflux einfach ermittelt werden. Nat\u00fcrlich m\u00fcssen hierf\u00fcr alle relevanten Vorgabeparameter f\u00fcr die Rohrstr\u00f6mung korrekt gew\u00e4hlt werden. Der Durchfluss kann hierbei alternativ auf drei unterschiedliche Arten spezifiziert werden: als volumetrische Durchflussrate, als mittlere Str\u00f6mungsgeschwindigkeit oder in Form des Massenstroms. In diesem Beispiel ist die dritte Variante sehr geeignet. Der typische (oder maximale) Abgas-Massenstrom kann dem Datenblatt des verwendeten Heizsystems entnommen werden. Hier wird ein Abgasmassenstrom 50 g\/s und eine mittlere Abgastemperatur von 140\u00b0C angenommen. Der Brennstoffverbrauch des Kessels sei mit 2,5 g\/s spezifiziert. Unter der Annahme, dass die gesamte Zuluft dem Zuluftkanal entnommen werde, ergibt sich damit ein Zuluft-Massenstrom von 47,5 g\/s. F\u00fcr die Zuluft-Temperatur wird ein Wert von 5\u00b0C gew\u00e4hlt.\u00a0 Die beiden mittleren Temperaturwerte f\u00fcr die Str\u00f6mung sind nat\u00fcrlich von einer Reihe von Faktoren abh\u00e4ngig und \u00e4ndern sich zudem mit der H\u00f6he. In HTflux werden deshalb geeignete Sch\u00e4tzung f\u00fcr den betrachteten Abschnitt gew\u00e4hlt. F\u00fcr eine h\u00f6here Genauigkeit k\u00f6nnten die hierbei ermittelten W\u00e4rmeaustauschraten (siehe unten) zur Berechnung des vertikalen H\u00f6henprofils der Temperaturen herangezogen werden. Aus diesem k\u00f6nnten genauere Temperaturen als Vorgabe f\u00fcr einen weiteren Berechnungsschritt zur Erh\u00f6hung der Genauigkeit durchgef\u00fchrt werden.<\/p>\n

Im Berechnungstool f\u00fcr den W\u00e4rme\u00fcbergang von Rohrstr\u00f6mungen<\/a> w\u00e4hlen wir „Luft“ als Typ des str\u00f6menden Fluids. Die Eigenschaften des Rauchgases weichen etwas von jenen der Luft ab und sind von der Art der Verbrennung und dem tats\u00e4chlichen Wasserdampfgehalt abh\u00e4ngig.\u00a0 F\u00fcr die Ermittlung des W\u00e4rme\u00fcbergangs f\u00fchrt die alternative Verwendung von Lufteigenschaften in der Regel aber zu ausreichend genauen Ergebnissen.<\/p>\n

F\u00fcr beide Str\u00f6mungen, Zuluft und Rauchgas, sind die genauen Ergebnisse und gew\u00e4hlten Eingabeparameter hier dargestellt (bitte anklicken f\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Darstellung<\/em>):<\/p>\n

\"Fluiddynamische<\/a><\/div>\n
\"Berechung<\/a><\/div>\n

Ergebnisse der thermischen Simulation<\/h3>\n

Die eigentliche Simulation dauert nur wenige Sekunden und f\u00fchrt zum folgenden Ergebnis:<\/p>\n

\"Thermische<\/a>

Temperaturansicht der Schornstein-Simulation (links: Zuluftkanal; rechts: Rauchgasrohr)<\/p><\/div>\n

\"Schornstein-W\u00e4rmestrom-W\u00e4rmeaustausch\"<\/a>

Darstellung der W\u00e4rmestromdichte im Schornstein-Querschnitt. W\u00e4rmestrommessungen f\u00fcr die einzelnen Bereiche (Zuluft-Kanal, Abgasrohr, Raum)<\/p><\/div>\n

Einige Auswertungen<\/h3>\n

Basierend auf derartigen Simulationen k\u00f6nnen eine Vielzahl von Fragestellungen untersucht und optimiert werden, zum Beispiel:<\/p>\n

    \n
  • W\u00e4rmeabgabe an die Umgebung (W\u00e4rmeverlust \/ -gewinn)<\/li>\n
  • W\u00e4rme\u00fcbertragung von der Abgasstr\u00f6mung auf die Zuluft<\/li>\n
  • Minimale Oberfl\u00e4chentemperatur des Schornsteins auf der Zuluftseite<\/li>\n
  • Maximale Oberfl\u00e4chentemperatur des Schornsteins auf der Abgasseite<\/li>\n
  • M\u00f6gliche Maximaltemperaturen in den unterschiedlichen Materialien<\/li>\n
  • Kondensationsrisiko im Abgasrohr: minimale Oberfl\u00e4chentemperatur des Rohrs<\/li>\n
  • Optimierung der Geometrie und Anordnung D\u00e4mmelemente<\/li>\n
  • Ermittlung der Anforderungen an die Materialeigenschaften<\/li>\n
  • …<\/li>\n<\/ul>\n

    In diesem Artikel werden wir uns auf die Untersuchung des W\u00e4rmeaustausches der drei unterschiedlichen Regionen Abgasstr\u00f6mung, Zuluftstr\u00f6mung und Umgebung (beheizter Raum) beschr\u00e4nken. Um diesen W\u00e4rmeaustausch umfassend zu beschreiben ist es zweckm\u00e4\u00dfig alle W\u00e4rmeaustausch-Koeffizienten zwischen den drei Regionen zu ermitteln. Hierf\u00fcr wenden wir eine sehr einfache, aber gleichzeitig sehr leistungsf\u00e4hige Methode an. Zuerst f\u00fchren wir drei weitere Simulationsschritte durch, wobei jeweils die Temperatur einer Randbedingung um ein Grad Kelvin variiert wird. Hierdurch erhalten wir die folgenden Gesamtw\u00e4rmestr\u00f6me f\u00fcr die drei Regionen (Simulationsf\u00e4lle in Spalten):<\/p>\n

    \"Kamin-Abgas-Zuluft-W\u00e4rmestrom-Simulation-Tabelle\"
    \nAnmerkungen:<\/p>\n

      \n
    • Die W\u00e4rmestr\u00f6me werden in HTflux jeweils Materialseitig betrachtet, deshalb bedeuten hier positive Werte W\u00e4rmeabgaben und negative Werten W\u00e4rmegewinne.<\/li>\n
    • Alle W\u00e4rmestr\u00f6me beziehen sich auf einen Meter H\u00f6he der Schornsteinkonstruktion.<\/li>\n
    • Um die Untersuchung einfach zu halten, wurde das dynamische Luftmodell um das Abgasrohr durch ein Material mit konstanter, entsprechender W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit ersetzt. Somit wird im betrachteten Temperaturbereich eine Linearit\u00e4t angenommen bzw. erzielt.<\/li>\n
    • F\u00fcr noch genauere Untersuchungen und unter Ber\u00fccksichtigung der dynamischen Abh\u00e4ngigkeiten des W\u00e4rme\u00fcbergangs der Rohrstr\u00f6mungen und des Lufthohlraums m\u00fcssten deutlich mehr Berechnungsschritte bei unterschiedlichen Temperaturen und Durchflussraten durchgef\u00fchrt werden.<\/li>\n<\/ul>\n

      Zur angestrebte Ermittlung der W\u00e4rmeaustauschraten m\u00fcssen nun lediglich die W\u00e4rmestromwerte des Ausgangsfalls (Base-case) von den einzelnen W\u00e4rmestr\u00f6men subtrahiert werden. Auf diese Weise wird der durch die Temperatur\u00e4nderung hervorgerufene W\u00e4rmestrom erhalten. Dividiert man diesen noch durch die angewendete Temperaturdifferenz (hier 1K) so erh\u00e4lt man bereits die gesuchten W\u00e4rmeaustauschraten:
      \n\"Kamin-Abgas-Zuluft-W\u00e4rmeaustausch-Tabelle\"<\/p>\n

      Die so ermittelten W\u00e4rme\u00fcbergangskoeffizienten (oder Leitwerte) sind sehr n\u00fctzlich um die W\u00e4rmeaustauschvorg\u00e4nge verstehen und beschreiben zu k\u00f6nnen.\u00a0 Sie k\u00f6nnen etwa zur Ermittlung des h\u00f6henabh\u00e4ngigen Temperaturprofils innerhalb des Schornsteins herangezogen werden.\u00a0 Es k\u00f6nnen aber auch ohne weitere Berechnung wertvolle Erkenntnisse mithilfe dieser Austausch-Koeffizienten gezogen werden, dies sind zum Beispiel (jeweils g\u00fcltig f\u00fcr einen Laufmeter der Konstruktion):<\/p>\n

        \n
      • F\u00fcr jedes Grad, welches das Rauchgas hei\u00dfer als die Raumtemperatur ist, treten W\u00e4rmeverluste von 1,003 Watt f\u00fcr die Rauchgasstr\u00f6mung auf (f\u00fcr den Raum k\u00f6nnen diese nat\u00fcrlich als W\u00e4rmegewinne betrachtet werden)<\/li>\n
      • F\u00fcr jedes Grad welches das Rauchgas hei\u00dfer als die Zuluft ist, erfolgt eine W\u00e4rme\u00fcbertragung von 0,222 Watt auf die Zuluft.<\/li>\n
      • Bei den oben verwendeten Temperaturen bedeutet dies, das die Verbrennungsluft im Zuluftkanal mit einer Leistung 44,8 Watt pro Meter vorgew\u00e4rmt wird, wobei 30 Watt aus der Abgasstr\u00f6mung und 14,8 Watt aus dem Raum entnommen werden.<\/li>\n
      • Der Raum verliert 0,823 Watt Heizleistung an den Zuluft-Kanal f\u00fcr jedes Grad, welches die Zuluft k\u00fchler als die Raumtemperatur ist.<\/li>\n
      • …<\/li>\n<\/ul>\n

        \u00a0(c) HTflux, Daniel R\u00fcdisser<\/em><\/p>\n

        Anmerkung: Wir erlauben und begr\u00fc\u00dfen ausdr\u00fccklich die Verwendung des Bildmaterials auf dieser Seite und die Setzung von Links zu dieser Seite, sofern als Quelle \u201ewww.htflux.com\u201c angegeben wird.<\/em><\/p>\n

         <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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