Wärmetauscher berechnen

[Anonym_339c6c273550]

Hallo Experten.!
Ich will eine Solaranlage für mein Bad bauen,
und beschäftige mich gerade mit der Auslegung des Wärmepuffers, in den ein Wärmetauscher aus Kupferrohr eingebaut werden soll.
Mal eine kurze Beschreibung:
Ein zylindrischer Stahlkessel, gefüllt mit Wasser-Glysantin-Gemisch wird durch Solarzellen erwärmt. Durch eine Kupferrohrschlange fließt das zu erwärmende Wasser, das ist der eigentliche Wärmetauscher.
Über einen danach eingebauten thermostatgesteuerten Mischer wird die Wassertemp. auf 55° begrenzt, weil dann ein elektrischer Durchlauferhitzer folgt. Dieser soll das Wasser erhitzen, wenn mal keine Sonne scheint.
Das Bad ist schon fertig, z. Zt. wird nur mit dem Durchlauferhitzer das Wasser erhitzt,
die zusätzlich benötigten Leitungen sind aber schon alle beim Bau des Bades verlegt worden.

So, nun zum Wärmetauscher, ich habe bis jetzt herausgefunden bzw. geplant:

Cu-Rohr, Durchmesser 18 mm, Wandstärke 1 mm. Die „mittlere“, wärmeübertragende Oberfläche von 1 m Rohr beträgt 0,054m².

Im Wärmetauscher ist Glysantin-Wasser-Gemisch, mit einer spez. Wärmekapazität von
ca. 3 kJ / (kg*K)

Wärmeleitkoeffizient Cu: 385 W / (K*m)

Wasserdurchflussmenge: 0,15 l / s , wobei das Wasser von 10°C auf 40°C erhitzt werden soll,
bei einer Speichertemperatur von 55°C. (Der ungünstigste Fall mal angenommen)

Ich habe nun die benötigte Wärmemenge berechnet, welche dem zu erhitzendem Wasser zugeführt werden muss: 18900 J pro Sekunde.

Weiter gerechnet habe ich auch schon mal, allerdings ist mir eingefallen, dass das zu erhitzende Wasser am Anfang der Cu-Schlange kalt ist und am Ende heiß. Das verwirrt mich etwas, und irgendwie auch die niedrigere spez. Wärmekapazität des Wasser- Glysantin- Gemisches.

Ich wäre dankbar, wenn mir jemand den weiteren Rechenweg erklären könnte.
Es geht mir um die Länge des Cu-Rohres, nur näherungsweise.
Eine 2 Frage wäre: Wenn ich es so baue, dass im Pufferspeicher statt den Glysantin-Wassergemisch reines Wasser ist, kann ich dann das Cu-Rohr um 25% kürzen,
proportional zur spez. Wärmekapazität?

Grüße, Steffen!

[Magnet_Thomas]

Hallo Experten.!

Hallo

Ich will eine Solaranlage für mein Bad bauen,
und beschäftige mich gerade mit der Auslegung des
Wärmepuffers, in den ein Wärmetauscher aus Kupferrohr
eingebaut werden soll.
Mal eine kurze Beschreibung:
Ein zylindrischer Stahlkessel, gefüllt mit
Wasser-Glysantin-Gemisch wird durch Solarzellen erwärmt.

Welchen Winkel zur Mittagssonne und welche Neigung haben die Solarzellen

Durch eine Kupferrohrschlange fließt das zu erwärmende Wasser,
das ist der eigentliche Wärmetauscher.

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Solar \>-|-|--|--|--|-|---\> Solar
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 T2 T1

Über einen danach eingebauten thermostatgesteuerten Mischer
wird die Wassertemp. auf 55° begrenzt, weil dann ein
elektrischer Durchlauferhitzer folgt. Dieser soll das Wasser
erhitzen, wenn mal keine Sonne scheint.
Das Bad ist schon fertig, z. Zt. wird nur mit dem
Durchlauferhitzer das Wasser erhitzt,
die zusätzlich benötigten Leitungen sind aber schon alle beim
Bau des Bades verlegt worden.

So, nun zum Wärmetauscher, ich habe bis jetzt herausgefunden
bzw. geplant:

Cu-Rohr, Durchmesser 18 mm, Wandstärke 1 mm. Die „mittlere“,
wärmeübertragende Oberfläche von 1 m Rohr beträgt 0,054m².

Im Wärmetauscher ist Glysantin-Wasser-Gemisch, mit einer spez.
Wärmekapazität von
ca. 3 kJ / (kg*K)

c₂ = 3 kJ/(kg*K)

Wärmeleitkoeffizient Cu: 385 W / (K*m)

u_Cu = 385 W / (K*m)

Wasserdurchflussmenge: 0,15 l / s ,

m = 0,15 kg/s

wobei das Wasser von 10°C

T1 = 283,15 K

auf 40°C erhitzt werden soll,

T2 = 313,15 K

bei einer Speichertemperatur von 55°C. (Der ungünstigste Fall
mal angenommen)

OK

Ich habe nun die benötigte Wärmemenge berechnet, welche dem zu
erhitzendem Wasser zugeführt werden muss: 18900 J pro Sekunde.

q_zu=c_H2O * (T2 - T1) = 4,19*30 = 125,7 kJ/kg

Q_zu = q_zu * m = 188,55 kJ

Weiter gerechnet habe ich auch schon mal, allerdings ist mir
eingefallen, dass das zu erhitzende Wasser am Anfang der
Cu-Schlange kalt ist und am Ende heiß. Das verwirrt mich
etwas,

Dies kann schon stimmen. Das Gemisch kühlt sich allerdings über die Länge ab.

und irgendwie auch die niedrigere spez. Wärmekapazität
des Wasser- Glysantin- Gemisches.

Dass könnte stimmen

Ich wäre dankbar, wenn mir jemand den weiteren Rechenweg
erklären könnte.
Es geht mir um die Länge des Cu-Rohres, nur näherungsweise.

Mit dem Sonnenstand und der Kollektorfläche kannst du danach die Einlauf - Temperatur in den Wärmetauscher rechnen. Damit erhältst du einen durchschnittlichen Wärmeduchgang durch den Wärmetauscher.

Eine 2 Frage wäre: Wenn ich es so baue, dass im Pufferspeicher
statt den Glysantin-Wassergemisch reines Wasser ist, kann
ich dann das Cu-Rohr um 25% kürzen,
proportional zur spez. Wärmekapazität?

Ich würde dir aber trotzdem kein Wasser empfehlen, da ansonsten die Leitungen außerhalb der Isolierung platzen können, sollte sie einfrieren.

Grüße, Steffen!

MFG

Thomas

[Anonym_339c6c273550]

Hallo!
Ich stelle meine Frage mal einfacher:

Ich habe einen sehr großen Wasserbehälter, die Temperatur das Wasers beträgt 55 °C.
Im Wasser liegt ein Kupferrohr, 18 mm Aussendurchmesser und 1 mm Wandstärke. Durch das Kupferrohr wird Wasser mit 10°C geleitet.
Wie lang muss das Kupferrohr sein, damit es sich auf 40°C erwärmt, bei einer Durchflussmenge von 0,15 Liter je Sekunde?

@ Thomas: Wir beide haben schon die benötigte Wärmemenge berechnet.
Ich hatte 18900 J/s errechnet, Du etwa das zehnfache. (188,55 kJ)
Habe ich mich da verrechnet, oder du dich verschrieben?

Ich habe auch eben nochmal weitergerechnet, welche Wärmemenge durch 1 Meter Kupferrohr hindurchfliesst, aber bin zu keinem vernünftigen Ergebnis gekommen:

Wärmeleitkoeffizient* Fläche / Wandstärke

385 * 0,054m² / 0,001m = 20790J/K*s
Aus Zulauf und Rücklauftemperatur, 10°C und 40°C ergibt sich ein Mittelwert von 25°. Die Differenz zu den 55°C beträgt also 30°.
Diese 30° multipliziert mit den 20790J/K*s ergibt eine Wärmeübertragung von 623700 J pro Meter Rohr und Sekunde.
Das ist aber viel zu viel, kann nicht sein. Irgendwo habe ich einen Fehler.
So rein gefühlsmässig denke ich, das Rohr müsste etwa 50 Meter lang sein.

Ich habe leider keine eigene HP, wo ich ein Bild zum besseren Verständnis verlinken kann,
wenn jemand meint, mir mit einer Skizze besser helfen zu können,
würde ich gern eine Zeichnung anfertigen und diese per Mail versenden.

Viele Grüße, Steffen!