Wärmetauscher - Grundlagen

[shaun]

Moin,

ich bin ja nun Elektrolurch und habe ein wenig Verständnisprobleme mit dieser Thematik.

Wir haben einen Plattenwärmetauscher vor einer Wärmepumpe, der die Medien zwischen "grundwasserverträglich" und "wärmepumpenveträglich" isoliert.

Als Elekroniker wäre ich versucht, den Tauscher als Trafo zu betrachten, die Temperaturdifferenz VL/RL als Spannung / Potenzial und den Volumenstrom als Strom.

Das hieße dann, dass bei etwa gleichem Volumenstrom die Temperaturdifferenzen auch etwa gleich sein sollte. Ist sie aber bei weitem nicht.

Unser Ziel ist, durch Steuerung des Volumenstromes der Umwälzpumpen auf den beiden Tauscher-Seiten die Differenz zur Wärmepumpe auf ein (pumpenspezifisches) Optimum zu bringen. Bei Systemen ohne Tauscher funktionier das auch problemlos, bei einigen Anlagen mit Tauscher auch, aber jetzt haben wir einen Ausreißer.

Würden beide Pumpen mit 5m³/h laufen hätten wir auf der Sondenseite 8K Differenz und auf der Wärmepumpenseite 5K. Da fängt bei mir schon das Fragezeichen an: gleicher Volumenstrom, aber fast der doppelte Temperaturunterschied?

Aktuell laufen die Pumpen zur Sonde mit und zur Wärmepumpe mit und daraus ergeben sich dann 3K bzw 5K bei Warmwasserbetrieb und 4K bzw 6K bei Heizungsbetrieb.

Die 3 bzw 4K wären unser Wunschwert für die Wärmepumpenseite, derzeit ist diese Spreizung aber nur auf der Sondenseite zu erreichen, die Pumpe im inneren Kreislauf Tauscher/Wärmepumpe läuft bereits auf 80% Nennleistung und fördert 6,5m³/h.

Wer kann mich da mal etwas erhellen? Die Heizungsbauer sind einigermaßen planlos und das Planungsbüro kann mit seiner Software nur fixe Einstellwerte und keine modulierenden Pumpen berechnen (bzw will nicht, denn eigentlich würde ich bei so einem Büro erwarten, dass die Planer verstehen, was sie tun und es notfalls auf Papier berechnen können)

Viele Grüße
Stefan

[Alexander470815]

Auf beiden Seiten ist auch das gleiche Medium?
Oder fährt die Wärmepumpen Seite eine Wasser/Glykol Mischung?
Die damit veränderte Wärmekapazität könnte für eine Abweichung sorgen.

[ohu]

Ist der Wärmetauscher im Gegenstrom oder im Parallelstrom eingebaut?
Je nach Durchflussrichtung (der beiden Medien relativ zueinander) ändert sich auch das Übertragungsverhalten hin zu mehr Übertragungsleistung oder max. Temperaturdifferenz.

[duese]

Was das jetzt für Temperaturangaben bei Heiz/Warmwasserbetrieb oben sind, hab ich nicht verstanden.

Zu den 8K zu 5K fallen mir ein:
- Gleich- oder Gegenstrom? (Wurde schon genannt) Dann dürfte aber die Differenz auf der Sondenseite nicht größer sein, da die Wärme ja Richtung Wärmepumpe fließt.
- Wärmetauscher zu kleine? Dann dürfte aber die Differenz auf der Sondenseite nicht größer sein, da die Wärme ja Richtung Wärmepumpe fließt.
- Gleiches Medium? (Wurde schon genannt)
- wirklich gleicher Volumenstrom? Gemessen und angenommen?

[shaun]

Moin, danke schon mal für die Ideen und Fragen.

Medium: Calciumcarbonatlösung in der Sonde, Glykollösung zur Wärmepumpe.

Volumenstrom: von den Pumpen aus der Drehzahl errechnet...
Der Wert scheint aber gut hinzukommen, wir haben mal eine Vergleichsmessung dieses Pumpentyps gegen einen geeichten Wärmemengenzähler gemacht.

Gleich- oder Gegenstrom müsste ich tatsächlich nachschauen.
Temperaturbeispiel:
Soleseite 4,2°C Vorlauf 0,7°C RÜcklauf Delta 3,5K Volumenstrom 5,0m³
Pumpenseite 3,7°C Vorlauf -2,2°C Rücklauf Delta 5,9K Volumenstrom 5,0m³

Das ist jeweils am Ende einer Heizphase bei der Warmwasser mit 58°C bereitet wurde.

[duese]

Medium: Calciumcarbonatlösung in der Sonde, Glykollösung zur Wärmepumpe.

Könnte es schon erklären. Wasser-Glykol hat gegenüber Wasser deutlich weniger Wärmekapzität.

Zum Durchsatz: haben die Kreisläufe einen vergleichbaren Strömungswiderstand. Nur dann dürften die Volumenströme bei gleicher Drehzahl vergleichbar sein.

[BernhardS]

Das kann nur Gegenstrom sein.

Aber die Wärmekapazität von Glycol ist schon merklich weniger, als die von Wasser.
Irgendwelchen neutralen Salze spielen bei der Wärmekapazität keine Rolle, das kann man rechnen wie Wasser.
Wobei Calciumcarbonat dann doch eher Kaliumkarbonat ist. Da sind auch gern mal ein paar Prozent Alkohol dabei,
macht zwar nicht viel aus, aber wenn man schon genau rechnen will, dann wäre es gut zu wissen, was man da rechnet.

Woher kommen die Zahlen für den Durchsatz? Normalerweise hat eine Pumpe ein Kennfeld, da kann man Differenzdruck,
Durchsatz und Leistungsaufnahme gegeneinander stellen. Wenn in der Erdwärmesonde eine Solelösung ist, dann muss man
dabei auch noch schauen ob es irgendwelche Korrekturfaktoren gibt.

[winnman]

könnte es sein, das der WT innen mit irgendwas verunreinigt ist (Teile verlegt, . . )

Ich würde aber auch auf unterschiedliche Durchströmung tippen.

[shaun]

>Wobei Calciumcarbonat dann doch eher Kaliumkarbonat ist

Sorry natürlich. Kalk ist da nicht drin Also hoffe ich zumindest.

Die Volumenströme kommen wie gesagt von den Pumpen, die die errechnen... ein Durchflussgeber ist zumindest nicht drin. Bei Wasser stimmt der Wert aber ziemlich perfekt mit dem vom Ultraschall-Durchflusssensor vom Wärmemengenzähler überein.

Kennfeld: ja klar, die Pumpen werden hier aber selbstregelnd mit Q=const betrieben. Lt. Planer muss der Tauscher im Gegenstrom betrieben werden, zu den Zahlen meinte er heute gerade, dass er befürchtet, dass das genau nicht der Fall ist.

[Alexander470815]

Naja aber selbst wenn der Tauscher im Gleichstrom betrieben wird erklärt das nicht die unterschiedlichen Differenzen.
Da in dem Tauscher ja keine Wärme dazu oder weg kommt müssen die Differenzen bei gleichem Medium und gleichem Durchfluss auch gleich sein.

Bei dieser Art der Durchfluss "Messung" würde ich den Fehler darauf schieben und auf die unterschiedlichen Wärmekapazitäten.
Wenn die Pumpen für Wasser geeignet sind aber etwas anderes Pumpen dann stimmt das vorne und hinten nicht.

[radixdelta]

Glykol ist ja auch merklich Viskoser als Wasser, da dürfte die Messung nicht sehr genau sein, da dürfte dann der Durchfluss geringer sein. Das addiert sich mit der geringeren Wärmekapazität. Möglicherweise funktioniert der Tauscher auch besser mit weniger Viskosen Medien?
Salzwasser in hoher Konzentration hat eine etwas höhere Wärmekapazität, ob das bei Kaliumcarbonat genau so ist wie bei Natriumchlorid? Das käm noch on top.

Was man noch prüfen sollte ist ob der WT evtl. korrodiert ist auf der Glykolseite.

[BernhardS]

Wird ja hoffentlich nicht nur Glycol (und Wasser) sein, sondern schon noch was konservierendes dabei.
Einer der Vorteile vom Plattenwärmetauscher ist ja, daß man ihn zerlegen, reinigen und inspizieren kann.

Unendlich genau braucht man nicht zu rechnen. Die Wärmekapazität von Wasser wäre ja auch ein bißchen von der Temperatur abhängig.

[Alexander470815]

Einer der Vorteile vom Plattenwärmetauscher ist ja, daß man ihn zerlegen, reinigen und inspizieren kann.

Sowas gibt es natürlich auch aber es gibt auch welche die fest verlötet sind.

Das "Glykol" das man in sowas reinschüttet ist mit entsprechenden Korrosionsinhibitoren versetzt.
Wir haben da immer "Antifrogen" genommen.

[lightwave]

Ein Wärmetauscher hat immer eine Differenz zwischen Primär- und Sekundärseite. Umso "überdimensionierter" der Tauscher ist, desto geringer wird dieser Wert, wegen der steigender Übertragerfläche. Aber irgendwann geht da auch nicht mehr viel. Liegt unter anderem an Strömungsmechanik (turbulente ist gewünscht / laminare Strömung führt zu einer Kernströmung, welche die Energie nicht mehr an die Wandung zur Übertragung kommen lässt) und anderen thermodynamischen Dingen.

Das der Volumenstrom tatsächlich beiderseits 5 m³/h ist, würde ich mit der Aussage "Aus der Drehzahl berechnet" auch stark anzweifeln. Einerseits (wurde schon genannt) die unterschiedlichen Fluide, anderseits die garantiert unterschiedlichen Druckverluste im System.

[ohu]

Liegt unter anderem an Strömungsmechanik (turbulente ist gewünscht / laminare Strömung führt zu einer Kernströmung, welche die Energie nicht mehr an die Wandung zur Übertragung kommen lässt) und anderen thermodynamischen Dingen.

Genau. Vereinfacht gesagt, ist das Auftreten einer laminaren Strömung bei höherviskosen Medien auch wahrscheinlicher, was dann den Wirkungsgrad rapide abfallen lässt.

Hatten einen Laboraufbau bei dem ein Temperaturgradient in einem kleinen Raum erzeugt werden sollte.
Dazu wurde eine Wandfläche gekühlt, gespeist von einem Julabo-Laborthermostat.
Die Kühleistung des Versuchsaufbaus hat enorm verbessert, indem wir von Silikonöl auf Wasser-Glycol umgestiegen sind. Nachrechnen hat erbracht, dass wir schön über den kritischen Punkt Richtung Turbulenz kamen.

[Sterne]

Das hieße dann, dass bei etwa gleichem Volumenstrom die Temperaturdifferenzen auch etwa gleich sein sollte. Ist sie aber bei weitem nicht.
...
Würden beide Pumpen mit 5m³/h laufen hätten wir auf der Sondenseite 8K Differenz und auf der Wärmepumpenseite 5K. Da fängt bei mir schon das Fragezeichen an: gleicher Volumenstrom, aber fast der doppelte Temperaturunterschied?
...
Viele Grüße
Stefan

Moin Stefan,
also alles was zur Strömung und Wärmetauscherprinzip genannt wurde, sind erstmal "Nebelkerzen".
An der Wärmeübertragungsfläche wird nur Wärme zwischen den Medien ausgetauscht. D.h. beide Seiten gleiches Medium und gleicher Volumenstrom ergibt im stationären Fall immer gleiches Delta T.
Allerdings hast Du ja unterschiedliche Medien/Gemische:
1. Spalte spezifische Dichte in kg/m³
2. Spalte Wärmekapazität kJ/kgK
Wasser: ~1,0 ~4,2
CaCO3: ~2,9 ~0,7
Glycol: ~1,1 ~2,5
Ich gehe davon aus, dass die Fragezeichen verschwinden, wenn du die "Wärmespeicherfähigkeit" der Medien berücksichtigst.

Sonst hat die Thermodynamik ein größeres Problem.

Gruß
Sterne

[unlock]

.
Temperaturbeispiel:
Soleseite 4,2°C Vorlauf 0,7°C RÜcklauf Delta 3,5K Volumenstrom 5,0m³
Pumpenseite 3,7°C Vorlauf -2,2°C Rücklauf Delta 5,9K Volumenstrom 5,0m³

Das ist jeweils am Ende einer Heizphase bei der Warmwasser mit 58°C bereitet wurde.

Hallo,

kannst Du die Werte am Anfang messen, oder mit der Leistung runter gehen und dabei messen?Es sieht mMn nach vereisten Platten auf der Soleseite aus.
Delta VL VL =0.5K.
Delta RL RL =2.9K, hier sollte es auch 0.5K sein was einem Sole RL
von -1.7°C entspräche.
wenn hier die Wt Flächen vereist sind, sind sie durch schlechte Wärmeleitung für das hohe RL Delta verantwortlich
Grob geschätzt dürfte der Schmelzpunkt der Solemischung bei 0°C liegen.