Wärmetauscher berechnen mit Excel: Eine Anleitung für Ingenieure

Die Ermittlung der exakten Leistung eines Wärmetauschers ist ein essenzieller Schritt im Anlagendesign. Diese Leistung, gemessen in Kilowatt (kW), ist kein statischer Wert, sondern muss individuell für jedes Projekt basierend auf spezifischen Betriebsbedingungen wie den verwendeten Medien, den jeweiligen Temperaturen und den Durchflussraten berechnet werden. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Anleitung, wie Sie die Berechnung von Wärmetauschern mit Excel meistern können, und orientiert sich dabei an bewährten Methoden, die auch in professioneller Software wie der SSP-Software von SWEP Anwendung finden.

Die hier vorgestellte Methode ist eine vereinfachte Formel, die Ihnen hilft, die benötigte Anzahl von Platten für Standard-Wärmetauscher zu berechnen. Sie ist besonders nützlich für die Auslegung von Heiz- und Kühlsystemen. Für komplexere Anwendungen oder spezielle Medien wie Öl, die eine präzisere Auslegung erfordern, stehen auf unserer Webseite weiterführende Informationen und spezialisierte Rechner zur Verfügung.

Grundlagen der Wärmetauscherberechnung

Ein Wärmetauscher funktioniert nach dem Prinzip des Wärmeübergangs zwischen zwei Fluiden, die durch eine Trennwand (oft Platten) voneinander isoliert sind. Die Effizienz dieses Prozesses hängt von mehreren Faktoren ab:

• Wärmeübertragungsfläche (A): Je größer die Fläche, desto mehr Wärme kann übertragen werden.
• Wärmedurchgangskoeffizient (U): Dieser Wert gibt an, wie gut die Wärme durch die Trennwand geleitet wird. Er ist abhängig vom Material der Platten, der Beschaffenheit der Oberflächen und der Strömungsart der Fluide.
• Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz (ΔT_lm): Dies ist die durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen den beiden Fluiden über die gesamte Wärmeübertragungsfläche. Sie ist entscheidend für die Berechnung der übertragenen Wärmeleistung.

Die grundlegende Formel zur Berechnung der übertragenen Wärmeleistung (Q) lautet:
Q = U * A * ΔT_lm

Für die Berechnung mit Excel ist es oft einfacher, die benötigte Fläche (A) zu ermitteln, wenn die Leistung (Q) und die Temperaturdifferenzen bekannt sind, oder umgekehrt.

Schritt-für-Schritt-Anleitung: Wärmetauscher mit Excel berechnen

Um einen Wärmetauscher mit Excel zu berechnen, benötigen Sie die folgenden Eingabeparameter:

• Gewünschte Leistung (Q): Die Energiemenge, die übertragen werden soll (in kW).
• Temperaturen des Primärkreislaufs: Eintrittstemperatur (T1) und Austrittstemperatur (T2).
• Temperaturen des Sekundärkreislaufs: Eintrittstemperatur (T3) und Austrittstemperatur (T4).
• Medien: Art der zu verwendenden Fluide (z. B. Wasser, Glykolgemisch, Öl). Dies beeinflusst den Wärmedurchgangskoeffizienten (U).
• Durchflussraten (optional): Falls eine Temperatur nicht bekannt ist, kann die Durchflussrate (q1 oder q2) anstelle der entsprechenden Austrittstemperatur eingegeben werden.
• Maximaler Druckverlust (dp1, dp2): Ein wichtiger Parameter zur Auswahl des geeigneten Modells, um sicherzustellen, dass die Pumpen die Fluide effizient bewegen können.

1. Dateneingabe in Excel

Erstellen Sie eine Tabelle in Excel mit Feldern für alle oben genannten Parameter. Stellen Sie sicher, dass Sie die Einheiten klar kennzeichnen (z. B. °C für Temperaturen, kW für Leistung).

2. Berechnung der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz (ΔT_lm)

Die Formel für die ΔT_lm ist komplex und hängt davon ab, ob es sich um einen Gleichstrom- oder Gegenstromwärmetauscher handelt. Für eine vereinfachte Berechnung können Sie folgende Formeln verwenden:

Für Gleichstrom:
ΔT_lm = ((T1 - T4) - (T2 - T3)) / ln((T1 - T4) / (T2 - T3))

Für Gegenstrom:
ΔT_lm = ((T1 - T3) - (T2 - T4)) / ln((T1 - T3) / (T2 - T4))

In Excel würden Sie diese Formeln mit den Zellbezügen Ihrer Eingabedaten implementieren. Achten Sie auf die korrekte Anwendung der LN()-Funktion für den natürlichen Logarithmus.

3. Ermittlung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U)

Der Wärmedurchgangskoeffizient (U) ist der komplexeste Wert und hängt stark von den spezifischen Medien, den Strömungsgeschwindigkeiten und der Oberflächenbeschaffenheit der Platten ab. Für eine genaue Berechnung sind detaillierte thermodynamische Tabellen oder spezialisierte Software erforderlich.

Für eine erste Schätzung können Sie Erfahrungswerte oder Tabellenwerte verwenden. Hier sind einige ungefähre Werte für Wasser/Wasser-Wärmetauscher:

• Sauberes Wasser: U ≈ 1000 – 1500 W/(m²·K)
• Glykolgemische: U ≈ 800 – 1200 W/(m²·K)
• Öl: U ≈ 100 – 300 W/(m²·K)

In Excel können Sie eine WENN-Funktion oder eine SVERWEIS-Funktion verwenden, um den U-Wert basierend auf den gewählten Medien zu bestimmen.

4. Berechnung der benötigten Fläche (A)

Sobald Sie Q (in Watt, also kW * 1000), U (in W/(m²·K)) und ΔT_lm (in K oder °C) haben, können Sie die benötigte Wärmeübertragungsfläche berechnen:

A = Q / (U * ΔT_lm)

Diese Fläche (A) wird in m² angegeben.

5. Auswahl des Wärmetauschermodells

Die berechnete Fläche (A) ist die Grundlage für die Auswahl eines geeigneten Wärmetauschermodells. Hersteller wie SWEP bieten verschiedene Modelle mit unterschiedlichen Plattenanzahlen und -größen an.

• Plattenanzahl: Die Gesamtoberfläche eines Wärmetauschers ergibt sich aus der Anzahl der Platten multipliziert mit der Fläche pro Platte. Sie müssen also herausfinden, wie viele Platten eines bestimmten Modells benötigt werden, um die berechnete Fläche (A) zu erreichen.
• Druckverlust: Überprüfen Sie, ob der Druckverlust für das ausgewählte Modell innerhalb der zulässigen Grenzen liegt. Hohe Druckverluste können die Effizienz des Gesamtsystems beeinträchtigen und erfordern leistungsstärkere Pumpen.

Beispielhafte Excel-Formel für die Fläche:
Angenommen, Q ist in Zelle B2 (kW), U ist in Zelle B8 (W/(m²·K)), und ΔT_lm ist in Zelle B7 (°C).
Die Formel für A (in m²) wäre: = (B2 * 1000) / (B8 * B7)

Wichtige Hinweise und Einschränkungen

• Browser-Empfehlung: Für präzisere Online-Berechnungen wird oft die Verwendung des Chrome-Browsers auf einem PC empfohlen, da dies die Kompatibilität mit webbasierten Tools sicherstellt.
• Vereinfachte Berechnungen: Die hier vorgestellten Excel-Methoden sind vereinfachte Ansätze. Für eine exakte Auslegung, insbesondere bei komplexen Medien oder Betriebsbedingungen, ist die Konsultation von Fachleuten oder die Nutzung professioneller Software unerlässlich.
• Plattenanzahl: Die Ausgabe des Rechners liefert eine Orientierung über die benötigte Plattenanzahl. Für eine verbindliche Spezifikation sollten Sie sich direkt an den Hersteller wenden.
• Druckverlust: Ein typischer Druckverlust von 10 kPa entspricht etwa 1 Meter Wassersäule. Dies ist ein wichtiger Indikator für die Pumpenleistung, die benötigt wird.
• Temperaturbedingungen: Stellen Sie sicher, dass die Temperaturen logisch sind: T1 muss immer wärmer sein als T2, T3 muss wärmer sein als T4, und T2 muss wärmer sein als T3 (im Heizfall).

Schema zur Berechnung des WärmetauschersDas Schema verdeutlicht die relevanten Temperaturpunkte für die Berechnung eines Wärmetauschers.

Fazit und Nächste Schritte

Die Berechnung von Wärmetauschern mit Excel ist ein wertvolles Werkzeug für Ingenieure und Techniker, um eine erste Auslegung zu erstellen und die wichtigsten Parameter zu verstehen. Es ermöglicht die schnelle Ermittlung der benötigten Fläche und gibt Aufschluss darüber, welches Wärmetauschermodell am besten geeignet sein könnte.

Dennoch ersetzt diese Methode keine detaillierte technische Auslegung durch Experten oder spezialisierte Software. Wenn Sie spezifische Anforderungen haben oder sicherstellen möchten, dass Sie die optimale Lösung für Ihr Projekt erhalten, empfehlen wir Ihnen, uns Ihre detaillierten Eingabedaten (Leistung, Medien, Temperaturen, Durchflussraten und gewünschte Druckverluste) per E-Mail zukommen zu lassen. Wir erstellen Ihnen dann gerne ein maßgeschneidertes Angebot und unterstützen Sie bei der Auswahl des perfekten Wärmetauschers.

Kontaktieren Sie uns noch heute, um Ihre Wärmetauscheranforderungen zu besprechen und eine individuelle Lösung zu erhalten!