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mecki1963
Gast
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 mecki1963 Verfasst am: 02. Feb 2011 16:13 Titel: Luftheizung |
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Hallo
Ich bin hier nur Gastleser.
Bis jetzt haben mir die Beiträge aus diesem Forum bei meinem Problem gut weitergeholfen, aber jetzt komme ich nicht mehr weiter.
Ich soll eine Simulation einer Luftheizung (erwärmte Luft wird in den zu beheizenden Raum gepumpt) programmieren. Das soll aber ziemlich einfach zu adaptieren sein (also möglichst wenig Parameter).
Das große Problem, was nirgendwo richtig aufgelöst wird, ist der Wärmeübergang bei erzwungener Konvektion.
Das Aufheizen der Luft ist relativ einfach:
Unabhängig von den sich ausbildenden Oberflächentemperaturen muss der Wärmestrom in die Luft der zugeführten elektrischen Leistung entsprechen. Bei angenommener vollständiger Durchmischung lässt sich daraus leicht der Temperaturzuwachs berechnen.
Dann geht die Luft durch einen Kanal, der sich selbst dabei aufheizt und Wärme an das "Draußen" abgibt (also Heizenergie aus dem Luftstrom abzieht).
Am Ende bleibt Luft mit deutlich niedriger Temperatur übrig, um den Raum zu beheizen.
Und jetzt soll ich simulieren, wie sich die Temperatur bei unterschiedlichen Oberflächen des Kanals, unterschiedlichen Volumenströmen im Kanal, unterschiedlichen Kanalmaterialien und unterschiedlichen Außentemperaturen entwickelt. Leider finde ich zu dem Wärmeübergang nur solch lapidaren Aussagen wie "zwischen 10 und 1000W/m^2, je nach Luftgeschwindigkeit und Oberfläche".
Kann mir hier jemand weiterhelfen?
Mecki |
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Chillosaurus
Anmeldungsdatum: 07.08.2010
Beiträge: 2440
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| Chillosaurus Verfasst am: 02. Feb 2011 18:03 Titel: Re: Luftheizung |
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| mecki1963 hat Folgendes geschrieben: | [...] Das soll aber ziemlich einfach zu adaptieren sein (also möglichst wenig Parameter).
Das große Problem, was nirgendwo richtig aufgelöst wird, ist der Wärmeübergang bei erzwungener Konvektion.
[...]
Dann geht die Luft durch einen Kanal, der sich selbst dabei aufheizt und Wärme an das "Draußen" abgibt (also Heizenergie aus dem Luftstrom abzieht).
Am Ende bleibt Luft mit deutlich niedriger Temperatur übrig, um den Raum zu beheizen.
Und jetzt soll ich simulieren, wie sich die Temperatur bei unterschiedlichen Oberflächen des Kanals, unterschiedlichen Volumenströmen im Kanal, unterschiedlichen Kanalmaterialien und unterschiedlichen Außentemperaturen entwickelt.[...] |
So wie ich das verstehe bildet sich kaum Konvektion aus, da du einen konstanten Volumenfluss nachschiebst.
Entscheidender ist natürlich das verwendete Material und die Verweildauer in dem selben. Dabei spielt auch die dicke der Kanalwand eine Rolle. Entscheidend für die Fähigkeit Temperatur aufzunehmen ist die Wärmekapazität eines Materials (bei konstantam Druck für die Luft, bei konstantem Volumen für die Umgebung).
Wie deine Situation exakt zu bestimmen ist, weiß ich auch nicht genau, aber es können sicher einige Überlegungen aus folgender Betrachtung entnommen werden:
Ein sehr dünner Schlauch führt durch ein Wasserbecken mit der Anfangstemperatur T1 und der Wärmekapazität Ck. In den Schlauch wird Gas der Temperatur Te durchgepumpt. Der Durchlauf dauert so lange, dass sich ein thermisches Gleichgewicht einstellt und die Temperatur auf T2 steigt. Das Gas habe die spez. Wärmekapazität cp.
Q sei die Wärmemenge, m die Masse und T die aktuelle Temperatur.
dQ=-dm*cp*(T-Te) = Ck*dT, die DGL kann direkt aufintegriert werden.
In deinem Fall musst du aber noch berücksichtigen, dass das Rohr an die Außenluft ebenfalls Wärme abgeben kann. |
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magician4
Anmeldungsdatum: 03.06.2010
Beiträge: 914
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| magician4 Verfasst am: 02. Feb 2011 18:16 Titel: |
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du hast noch kanalgroesse und -form ( d.h. querschittsprofil) sowie ggf. kurven, verjuengungen / verdickunegn usw. vergessen, also alles was z.b. turbulenzen u.ae. macht...
... denn all das spielt dann noch in den tatsaechlichen stroemungswiderstand der leitung mit rein (druckabfall), der ja schlussendlich auch als waerme verloren geht
weiterhin brauchst du aehnliche wie von dir genannte infos auch ueber die "aussenseite", den auch dort hast du waermeuebergang, dann allerdings in der regel gegen nicht-erzwungene konvektion ( es sei den die leitung liegt bei scharfem nordwind frei auffm dach)
kurz: das ist ne riesendose wuermer die du da grad aufmachst, und sowas auf einfach zu simulieren scheint mir ambitioniert.
das einzige halbwegs simple modell welches da noch mit vertretbarem aufwand ginge ist das einer gasleitung mit im querschnitt hinreichend homogener temperatur, einem wandmaterial gegebener waermeleitfaehigkeitseigenschaften und einem bekannten waermeuebergangskoeffizienten rohr-luft an der aussenseite.
du haettest dann dazu eine ueber die rohrlaenge in transportrichtung abfallende gas-innentemperatur, wuerdest die waermeleitfaehigkeit innerhalb des rohrmaterials laengs seiner eigenen strecke vernachlaessigen usw... yep. dat koennte gehen.
alles andere ist aufriss
gruss
ingo |
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Mecki1963
Gast
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| Mecki1963 Verfasst am: 03. Feb 2011 10:12 Titel: Mist |
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Danke erst mal für die Antworten. 
Ist das Ganze doch mindestens so kompliziert, wie ich befürchtet hatte.
Entschuldigt, falls meine Fragen ein bisschen simpel erscheinen, eigentlich bin ich für die Messwerterfassung und Regelung an einer solchen Anlage zuständig. Und jetzt hatte mein Chef die Idee, eine komplette Anlage zu simulieren, um die Güte der Regelung schon vor Installation bewerten zu können. Und gleich am ersten Teilstück krieg ich schon solche Probleme. Wobei ich davon ausgehe, dass die anderen Teile prinzipiell ähnlich zu handhaben sind.  '
Wieso erzeugt ein Druckabfall Wärmeverlust?
Der Kanal ist in der Regel rechteckig und gerade. Es gibt nur am Anfang ein kurzes Stück (ca.2-5% der Länge), dass zum eigentlichen Kanal rechtwinklig steht, in dem der Ventilator und der Heizer untergebracht sind. Das wollte ich mehr oder weniger unterschlagen (einfach die Länge dazuaddieren). 
Da ich mit gegebenem Luftvolumenstrom arbeite, dachte ich den Druckabfall überm Kanal vernachlässigen zu können.
Für den Anfang kann ich auch von konstanter Temperatur am Eingang ausgehen.
Kann ich mir über Messungen an einem konkreten Kanal die benötigten Parameter ermitteln?
Ich kann Eintrittstemperatur in den Kanal, Volumenstrom, Austrittstemperatur und Außentemperatur messen. Brauch ich noch mehr?
Mecki |
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magician4
Anmeldungsdatum: 03.06.2010
Beiträge: 914
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| magician4 Verfasst am: 03. Feb 2011 11:26 Titel: |
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vorneweg: ich bin auch kein "studierter heizungs- und lueftungstheoretiker", insoweit sind dies also anmerkungen eines interessierten universaldilettanten
aber soweit ich noch aus den projekten erinnere in denen ich schon mit aehnlichem zu tun hatte:
| Zitat: | | Der Kanal ist in der Regel rechteckig und gerade. Es gibt nur am Anfang ein kurzes Stück (ca.2-5% der Länge), dass zum eigentlichen Kanal rechtwinklig steht, in dem der Ventilator und der Heizer untergebracht sind. Das wollte ich mehr oder weniger unterschlagen (einfach die Länge dazuaddieren). |
wenn du das ganze etwas detaillierter rechnen musst, dann sind rechtwinklige gasstrom- umlenkungen keinesfalls vernachlaessigbar. hier bekommst du immer einen hohen stroemungswiderstand / druckabfall
falls ihr da noch konstruktive baufreiheit haben solltet: bereits 2 45°-segmente bringen in summe weniger als die haelfte des widerstands eines 90° segments, so uebern daumen. wenn ihr das mal gegen die ueber die jahre aufsummierte stromrechnung fuer den ventilatorbetrieb rechnet....
--> industrielle luftleitungen haben immer weitbogige biegungen, keine scharfen 90° umlenkungen
| Zitat: |
Wieso erzeugt ein Druckabfall Wärmeverlust? |
zum druckaufbau benutzt du einen ventilator --> welleleistung (meist zusaetzlich motorabwaerme, je nach bautyp) wird auf das gas projeziert, und geht in form von z.b. reibung dann an der wand -->durchtritt--> verlust dem system (teilweise) verloren.
darueber hinaus bedingt das druckabsenken an einem gaskoerper eh eine temperaturabsenkung (umgekehrter luftpumpen-effekt)
| Zitat: | | Ich kann Eintrittstemperatur in den Kanal, Volumenstrom, Austrittstemperatur und Außentemperatur messen. Brauch ich noch mehr? |
eigentlich sind dies die relevanten parameter, und selbst mit sehr viel rechnen kommst du schlussendlich wahrscheinlich eh nicht darum herum da mal ein paar reale kalibrationspunkte zu erheben, und dir eine reale kennlinie zu schaffen.
solange dir das system nicht "umkippt" kannst du das dann in sinnvollen grenzen extrapolieren.
wie gesagt: "solange". es gibt meiner erfahrung nach halt fuer solche anlagen eine obere luftgeschwindigkeit, wenn du die ueberschreitest wird alles aufgrund von wirbelbildungen und sonstigen problemchen "turbulent", die anlage kriegt im boeseren fall sogar das zittern und schwingen.... und dann hast du nicht nur der energieausbeute wegen komplett verloren, denn dann liegt so ziemlich alles off-range
wie gesagt, diese aenderungen treten "schlagartig" auf, und solange du dich von dieser grenze fern haeltst.....
..solltest du mit deinen daten und ner drauf aufbauenden kalibratonskurve, real erhoben , eigentlich erstmal recht gute karten haben.
beachte: der temperaturverlust ist, was die rohrlaenge betrifft, nicht-linear!
gruss
ingo |
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Mecki1963
Gast
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| Mecki1963 Verfasst am: 04. Feb 2011 13:52 Titel: |
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Hallo Ingo
okay, ich stecke am Anfang Energie in das System um den Druck aufzubauen, die sich in einer Temperaturerhöhung bemerkbar macht. Wenn ich dann auf Normalniveau dekomprimiert habe, ist diese Wärme wieder weg. Wenn ich sie in der Simulation am Anfang nicht mit einrechne, dann fehlt sie mir am Ende ja auch nicht, oder?
(Wenn das Ganze irgendwann vielleicht mal komplett ist, gibt es einen geschlossenen Kreislauf.)
| magician4 hat Folgendes geschrieben: |
wenn du das ganze etwas detaillierter rechnen musst, dann sind rechtwinklige gasstrom- umlenkungen keinesfalls vernachlaessigbar. [...]
falls ihr da noch konstruktive baufreiheit haben solltet: [...] wenn ihr das mal gegen die ueber die jahre aufsummierte stromrechnung fuer den ventilatorbetrieb rechnet....
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Tja, wär vielleicht spannend, aber wir haben selten Platz dafür, und außerdem ist der Käufer ein anderer als der Betreiber. Unsere Kunden interessieren die langfristigen Kosten bis jetzt nur marginal.
| magician4 hat Folgendes geschrieben: |
eigentlich sind dies die relevanten parameter, und selbst mit sehr viel rechnen kommst du schlussendlich wahrscheinlich eh nicht darum herum da mal ein paar reale kalibrationspunkte zu erheben, [...]
..solltest du mit deinen daten und ner drauf aufbauenden kalibratonskurve, real erhoben , eigentlich erstmal recht gute karten haben.
beachte: der temperaturverlust ist, was die rohrlaenge betrifft, nicht-linear!
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Für den Temperaturverlauf im Kanal war ich von einer exponentiellen Kurve ausgegangen. Aber wie komme ich von meinen Messwerten zu den drei Kenngrößen ... nee, eigentlich sind's ja vier
- Wärmeübergangskoeffizient Kanalluft-Kanalwand
- Wärmeleitfähigkeit Kanalwand
- Wärmekapazität Kanalwand
- Wärmeübergangskoeffizient Kanalwand "Draußen"
Ich krieg abhängig von Delta (Außentemperatur, Kanaleintrittstemperatur) und Volumenstrom eine Funktion der Zeit, in der sich die Austrittstemperatur exponentiell einem Endwert nähert (Wenn der Kanal lang genug ist bzw, das Delta klein genug, krieg ich am Ende die Außentemperatur als Austrittstemperatur) Damit krieg ich eine Funktion in der sich die 4 Parameter verstecken.
Ratlos
Mecki |
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magician4
Anmeldungsdatum: 03.06.2010
Beiträge: 914
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| magician4 Verfasst am: 04. Feb 2011 17:33 Titel: |
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| Zitat: | | okay, ich stecke am Anfang Energie in das System um den Druck aufzubauen, die sich in einer Temperaturerhöhung bemerkbar macht. Wenn ich dann auf Normalniveau dekomprimiert habe, ist diese Wärme wieder weg. Wenn ich sie in der Simulation am Anfang nicht mit einrechne, dann fehlt sie mir am Ende ja auch nicht, oder? |
da es sich dabei dann um eine "erwaermung zusetzlich zur bereits vorhandenen lufttemperatur" handelt...wirst du dadurch dann durch die rohrwandungen auch nen verschaerften wermeabfluss haben... und das fehlt dir hinterher bitter
--> dasganze ist insoweit kein nullsummenspiel
| Zitat: | | Tja, wär vielleicht spannend, aber wir haben selten Platz dafür, und außerdem ist der Käufer ein anderer als der Betreiber. Unsere Kunden interessieren die langfristigen Kosten bis jetzt nur marginal. |
solche kunden haett ich auch gern...aber dann irgendwie auch net.
--> ihr solltet sie da trotzdem drauf hinweisen, denn alles andere laeuft langfristig gegen euch
| Zitat: | Für den Temperaturverlauf im Kanal war ich von einer exponentiellen Kurve ausgegangen. Aber wie komme ich von meinen Messwerten zu den drei Kenngrößen ... nee, eigentlich sind's ja vier
- Wärmeübergangskoeffizient Kanalluft-Kanalwand
- Wärmeleitfähigkeit Kanalwand
- Wärmekapazität Kanalwand
- Wärmeübergangskoeffizient Kanalwand "Draußen" |
bis auf den einschwingvorgang des systems, also beim z.b. anfahren, spielt der wert "waermekapazitaet der kanalwand" keine rolle: du rechnest ja zunaechst im thermischen gleichgewicht der anlage (alles andere treibt dich endgueltig in den wahnsinn, also wenn du da auchnoch ne aufheiz- und abkuehldynamik darstellen willst)
die drei anderen parameter sollten sich gut naeherungsweise zu einem gemeinsamen "waermedurchgangskoeffizienten" zusammenfassen lassen.
das ganze dann in die drei einzelkomponenten auseinander zu nehmen...stell ich mir etwas schwierig vor. zumindest muesstest du dann eineige ceterus paribus versuche machen, bei denen du dann jeweils nur einen der parameter variierst (o.k.: den waremeleitwert des materials selbst kannst du eventuell sogar noch vom hersteller erfahren)
... und dann beten, dass die ganzen c's nicht auch noch temperaturabhaengig stark variieren.
damit liesse sich dann der waermefluss bei gegebenem delta T durch das material berechnen.
das ganze musst du dann - die innentemperatur faellt, wie du richtig anmerkst - ueber die streckenlaenge irgendwie integrativ aufsummieren, den differentiuellen fluss, wobei du (da kommt die form / oberflaeche ins spiel) dann eben z.b. querschnittsabhaengig jeweils eine differentielle oberflaeche benutzt.
interessant wird dann, dass je nach stroemungsgeschwindigkeit/querschnitt/gastemperatur da dann unterschiedliche waermestroeme zustande kommen, da das delta T innen-aussen ja unterschiedlich ist: das delta T ist eben nicht gegeben, sondern variabel (haengt von gasmenge, temperatur,usw. ab)
--> rueckkopplung
--> da muesste man sich halt ueber lokale bilanzgleichungen ranarbeiten, d.h. dass die differentelle abkuehlung gleich dem differentiellen waermefluss wird
gruss
ingo |
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