berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Peter wortel

Hallo ik ben nieuw op dit forum, heb wel al eerder een en ander hier gelezen.

Zou iemand me kunnen helpen met, Het bepalen / berekenen van de grote of capaciteit van een buis warmtewisselaar ten behoeve van motor koeling in een boot.

De boot is nu voorzien van direkte koeling, graag zou ik een warmtewisselaar tussen de koelwaterstroom plaatsen zodat er geen buitenwater (soms zout water)
meer door het motorblok stroomt.

Helaas weet ik niet hoe groot een dergelijke ww zou moeten zijn.

Wat weet ik wel,

Het debiet van de huidige koelwaterpomp= bedraagt toerental afhankelijk +/- 43 liter p/m

De af te voeren onnuttige warmte bedraagt bij vol vermogen. Volgens mijn eigen berekening 340.032 kwh

De constructie zal vervaardigd worden van RVS omhulsel waarin koperen buisjes ter uitwisseling van de warmte energie.

Verder is me reeds bekent dat het beste voor tegenstroom principe gekozen kan worden.

Groet Peter

Pinokkio

De af te voeren onnuttige warmte bedraagt bij vol vermogen. Volgens mijn eigen berekening 340.032 kwh

Die berekening zou ik dan graag eens zien.
De af te voeren warmte is een hoeveelheid kW, niet een hoeveelheid kWh.

En plaats ook eens een schets van het systeem, want mij is nu niet duidelijk wat er gekoeld wordt en hoe precies.

Bovendien is ook van belang:
- de in- en uitlaat temperatuur van de koude stroom
- de in- en uitlaat temperatuur van de warme stroom
- het debiet van de warme stroom
- de fysische eigenschappen van de warme stroom

ArcherBarry

Ik zal in verband met de ruimte zeker niet voor een buizenkoeler maar juist voor een platenkoeler gaan. Wellicht kan je rondvragen bij een paar lokale installateurs van verwarmingen/CV ketels of zij een oude platenwarmtewisselaar hebben liggen welke je voor weinig kan overnemen (zonder garantie natuurlijk). Vaak hebben deze ook nog wel een bijpassende pomp liggen, en anders kan je die waarschijnlijk ook kopen bij een tuincentrum met vijverafdeling.

Peter wortel

Pinokkio schreef: Die berekening zou ik dan graag eens zien.
De af te voeren warmte is een hoeveelheid kW, niet een hoeveelheid kWh.

En plaats ook eens een schets van het systeem, want mij is nu niet duidelijk wat er gekoeld wordt en hoe precies.

Bovendien is ook van belang:
- de in- en uitlaat temperatuur van de koude stroom
- de in- en uitlaat temperatuur van de warme stroom
- het debiet van de warme stroom
- de fysische eigenschappen van de warme stroom

Ik heb de af te voeren onnuttige warmte hoeveelheid als volgt trachten te bepalen.

Motor vermogen in SAE horspower gegeven = 175 hp, dit zou overeen komen met 154 Din Pk, staat gelijk aan, 154 pk x 736 watt = 113,344 Kw
Het rendement van een benzine motor is +/- 25 %
Nuttige mechanische energie bedraagt 113,344 kw. Dit is dus maar 25 % van de totale toegevoegde energie.
De onnuttige energie is dus 75 % van de totaal toegevoegde energie en bedraagt dus 113,344 x 3 = 340,032 kw...h
Dit zou dan op vol vermogen vrijkomen als nutteloze warmte.

De inlaat van de koude stroom bestaat uit buiten / oppervlakte water, ik verwacht dat dit +/- 15 gr cel zal zijn.
De uitlaat temperatuur van de koude stroom. zal afhankelijk zijn van het debiet van de koude stroom.

De inlaat temperatuur der warme stroom is +/- gelijk aan 80 gr cel, dit is de temperatuur waarbij de motor thermostaat opent en dus warme koelvloeistof
door stuurt naar de Warmtewisselaar.

De uitlaat temperatuur van de warmtewisselaar koelvloeistof gaande terug de motor in zou ik 35 gr cel voor aanhouden.

Ps. In de huidige situatie is dit de temperatuur van de ( inlaat koude stroom 15 gr ). deze loopt nu via olie koeler, en uitlaat spruitstuk, door het motorblok
Dit is behoorlijk koel natuurlijk, de huidige bedrijfstemperatuur bedraagt ook maar +/- 60 gr cel. Deze temperatuur houd men (bij direct gekoelde motoren) zo laag om een zo minimaal mogelijke afzetting van zout ed in de motor te krijgen.
Bij een in-directe koeling met warmtewisselaar zou dus de bedrijfs temperatuur met 20 gr kunnen stijgen naar een normale motor bedrijfs temperatuur van +/- 80 gr cel.
Vandaar dat ik ook aanneem dat de warme stroom motor in / ww uit ook met 20 gr zou mogen worden verhoogd. dus 35 gr cel

Het debiet van de warme stoom zou dmv een pomp even snel kunnen stromen als de koude stroom.
Bij deze het schematische overzicht.

Peter wortel

ArcherBarry schreef: Ik zal in verband met de ruimte zeker niet voor een buizenkoeler maar juist voor een platenkoeler gaan. Wellicht kan je rondvragen bij een paar lokale installateurs van verwarmingen/CV ketels of zij een oude platenwarmtewisselaar hebben liggen welke je voor weinig kan overnemen (zonder garantie natuurlijk). Vaak hebben deze ook nog wel een bijpassende pomp liggen, en anders kan je die waarschijnlijk ook kopen bij een tuincentrum met vijverafdeling.

Goed bedacht een plaat warmte wisselaar van de cv maar die is zo fijn van structuur dat die snel verstopt raakt door zout afzetting van zeewater.
dit is dan niet schoon te maken, een plaat ww is niet demontabel. dit is dus geen optie. Was wel eenvoudig en goedkoop.

Pinokkio

De onnuttige energie is dus 75 % van de totaal toegevoegde energie en bedraagt dus 113,344 x 3 = 340,032 kw...h

OK, dus het benodigde koelvermogen is 340 kW (niet kWh).

Wat is de "koelvloeistof" die in de toekomst door de warme motor stroomt? Zuiver water? Water-glycol-mengsel? Of wat?

Zijn de pompen in de tekening bestaand? Zo ja, wat is dan hun debiet?
Of worden ze nieuw?

Peter wortel

Bij deze de aangepaste tekening van de huidige situatie

Pinokkio

Na het plaatsen van de ww zal de warme stroom niet meer via de verdringerpomp lopen.

Dat is onduidelijk, de warme stroom loopt momenteel toch ook al niet via de verdringerpomp?

[Waarschijnlijk zal het noodzakelijk zijn een identieke verdringerpomp te plaatsen in de warme stroom.

Het is mij niet duidelijk waar die nieuwe verdringerpomp dan geplaatst wordt.
Dat er wellicht een nieuwe pomp nodig is in de warme stroom lijkt me aannemelijk. De warme stroom gaat in de toekkomst immers meer stromingsweerstand ondervinden doordat het door de nieuwe WW moet en bovendien moet de huidige centrifugaalpomp het dan ook door de onderste mantel van de uitlaat duwen. Het is de vraag of de centrifugaalpomp nog het benodigde debiet zal kunnen leveren. Het debiet van een centrifugaalpomp is immers afhankelijk van het te leveren drukverschil (opvoerhoogte).
Als de warme water/glycol-koelmiddel in de nieuwe WW (vermogen 340 kW) afgekoeld moet worden van 80 naar 35 ^oC is er een koelmiddel-debiet nodig van 120 Ltr/min.

Bij vollast is +/- 4000 tr p/m dus 2000 x 35 cc = 70 Ltr, p/m

Als de koude stroom 15 ^oC is en het maximale verdringerpompdebiet is slechts 70 Ltr/min dan zou dit in de nieuwe WW op moeten warmen tot 85 ^oC om die 340 kW op te nemen. Dat werkt dan niet want de koude stroom kan immers nooit warmer worden dan de warme.
De bestaande koude verdringerpomp is dus te klein, of jouw berekeningsmethode van die 70 Ltr/min is niet juist.

M.b.t. de nieuwe WW:
Zonder gedetailleerde berekeningen schat ik, met een zeer natte vinger, dat het benodigde buisoppervlak in de orde van 20 - 40 m² zal zijn. Een professionele platenww zal aanmerkelijk minder oppervlak benodigen.
Ben je van plan bent om de WW zelf te bouwen?

Peter wortel

Pinokkio schreef op 29 Nov 2016 - 16:17:

Dat is onduidelijk, de warme stroom loopt momenteel toch ook al niet via de verdringerpomp?

Hoi, Het lijkt m i raar dat ik nu plots een water debiet van 120 ltr nodig zou hebben, terwijl ik nu de gehele motor koel met een debiet van zeg 70 ltr op vol vermogen. de temperatuur loopt niet hoger dan 60 graden.

Verder denk ik dat er ergens iets fout gaat in je berekening, nl een koel oppervlak van 20 tot 40 m2 is een zeer ruime marge.
Verder berekend ik bij voorbeeld met buis van 11 mm diameter. deze heeft een koel oppvl, van 345 cm2 per m1. Een m2 is 10.000 cm2.
Dus 10.000 cm2 gedeeld door 345 cm2 is zou 30 meter buis bedragen voor 1 vierkante meter koel oppvl, dus 30 meter buis x 30 meter gemiddeld.
Komt neer op 900 strekkende meter buis maar liefst.

Buis 11 mm diameter    11 x 3.14                  3,45 cm omtrek
1 meter van deze buis heeft een oppvl, van 345 cm2
30 m2 gemiddeld bedraagt 30 x 10.000    = 300.000 cm 2
300.000 cm2 gedeeld door 345 cm2         =  869 stekkende meter buis, dit is onmogelijk

Dit is helemaal buiten alle proportie.

Pinokkio

Het lijkt m i raar dat ik nu plots een water debiet van 120 ltr nodig zou hebben, terwijl ik nu de gehele motor koel met een debiet van zeg 70 ltr op vol vermogen. de temperatuur loopt niet hoger dan 60 graden.

Ik baseerde me op de door jou in bericht #4 gegeven data voor de nieuwe situatie:
- te koelen vermogen = 340 kW
- koelmiddel inlaat = 80 ^oC en uitlaat = 35 ^oC
Als het koelmiddel zuiver water zou zijn dan is het benodigde koelmiddeldebiet
340 kJ/s / ((80 - 35) ^oC * 4,2 kJ/kg.^oC) = 1,8 kg/s ≈ 108 Ltr/min
Omdat je glycol/water gebruikt, wat een lagere soortelijke warmte heeft dan water, heb je ongeveer 120 Ltr/min nodig.
Als je nu met 70 Ltr/min water toekomt betekent dus dat het werkelijk te koelen vermogen minder is dan 340 kW, wellicht slechts 340 * (70/108) = 220 kW.

Verder denk ik dat er ergens iets fout gaat in je berekening, nl een koel oppervlak van 20 tot 40 m2 is een zeer ruime marge.

Die 20 - 40 m² is een ruwe schatting, vandaar de grote marge. Ik noemde deze orde van grootte om je alvast te waarschuwen, want ik vermoedde al dat je zo'n grote ww niet kunt of wilt plaatsen.
Dat het in jouw ogen buiten proportie is verandert overigens niets aan de werkelijkheid. De natuurwetten trekken zich niets aan van wat jij (of ik) graag zou willen.

Een ander type ww, zoals een platenww, is waarschijnlijk een betere keuze dan een buizenww.

Overweeg ook om een luchtkoeler te gebruiken, koop bijvoorbeeld een paar autoradiators bij een sloper.

Peter wortel

Naar aanleiding van het voorgaande in dit onderwerp, heb ik nog wat verder gestudeerd op het net.
Aan de hand van de gegevens die ik heb, heb ik het navolgende berekend.

Ik zou het op prijs stellen als iemand deze berekeningen eens zou kunnen door rekenen.
Omdat ik mij niet geheel zeker ben van de juistheid van eea.

De doelstelling van de berekening is om aan de hand van motor vermogen, het koel oppervlak
te berekenen voor een te vervaardigen warmtewisselaar (buis warmte wisselaar).

Benzinemotor Volvo AQ 175 vermogen : 175 HP (SAE) Nuttig vermogen     25 %          113,344 kw
Rendement geschat 25 %
Totaal opgenomen vermogen                                                                               100 %          453,376 kw
Nutteloze thermische energie, af te voeren via koeling                                    75 %         340,032 kw
( bij vol vermogen)

Huidige koelkringloop en capaciteit bedraagt +/- 80 % van het benodigde bij vol vermogen.
oppervlaktewater – waterpomp – oliekoeler – motor - uitlaat - retour oppervlakte water.
Q = m x c x ∆ T
water   – soort’w   c   - debiet   m - water motor in    –   water motor uit - ∆ T   -      Q
                      4186 j/kg         1,166kg/s      15 gr c                        70 gr c           55       268,448 j/s

Nieuwe situatie met tussenkomst van een tegenstroom warmtewisselaar.

Koeling kringloop A
waterpomp - olie koeler- motor – uitlaat – warmtewisselaar koelt af.
A   Q = m x c x ∆ T
  water glycol    – soort’w   c   -    debiet / m   - ww in –   ww uit   -   ∆ T   - Q
    38 %                       3880 j/kg          1,166kg/s          80 gr c        20 gr c              60       271,444 j/s

Koeling kringloop B
oppevlaktewater – waterpomp – warmtewisselaar warmt op.
B    m = Q /c x ∆ T
  water glycol    – soort’w   c   -    debiet / m   - ww in –   ww uit   -   ∆ T   - Q
    38 %                       4186 j/kg          1,179kg/s          15 gr c        70 gr c              55       271,444 j/s

Bepaling koel oppervlak in de warmte wisselaar, geschied middels koperen buizen (tegenstroom)

Afkoelende stroom      - ww in –   ww uit       ∆ T             binnen zijde/ buitenzijde pijp
                                                    80                20             60                              ∆ T 5
Opwarmende stroom   - ww uit –   ww in     ∆ T
                                                    70               15            55

P warmte stroom watt                     306,150  w                                    P = ꓥ x a x ∆ T    =
d dikte wand koelbuis                         0,001 m2                                               d
a oppervl koelbuis p/m2                    0,157 m 2                                390 x 0,157 x 5 = 306,150
ꓥ warmtegeleiding coëfficiënt 390 w/m2 k                                      0,001
∆ T                                                   5

Benodigd koel oppvl, koper buis   9 stuks 11 mm Ø A 0,5 m1   =      11 x 3,14 = 3,45 x 450 = 0,155 m2

Groet Peter

Pinokkio

Ik heb het niet allemaal doorgenomen maar ik zie onderaan wel dat je klassieke fout maakt die alle leken maken: denken dat alleen de buiswand warmteweerstand geeft. In werkelijkheid speelt de buiswand geen merkbare rol in de totale warmteweerstand of de U-waarde.

De U-waarde wordt bepaald door de overdracht tussen koelmiddel en wand en tussen wand en koelwater. Om die U te berekenen spelen de fysische eigenschappen en de stroomsnelheden van koelmiddel en water in de ww een grote rol. Het gebruik van glycol/water heeft een negatief effect op de U-waarde omdat het viskeuzer is dan water en een lagere λ heeft.

Ik schat dat U-waarde van een buizenww in dit geval in de orde van 400 - 800 W/m².K zal zijn en dat geeft bij Q = 340 kW en LMTD = 20 ^oC een A = 20 - 40 m² zoals ik twee weken geleden al noemde.

Het is voor mij ondoenlijk om de gehele theorie van warmteoverdracht hier uit te leggen.
Er zijn op dit forum al diverse topics over warmteoverdracht en dimensionering van ww's geweest, gebruik eventueel zoekfunctie.
https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer_coefficient
https://en.wikipedia.org/wiki/Logarithmic_mean_temperature_difference

Pinokkio

Ik heb eens wat beter naar jouw berekening gekeken.
Als ik het goed begrijp dan wil je nu een koelvermogen van 271 kW omdat je nu 80 % neemt van die eerdere 340 kW.

Glycol/water wordt nu gekoeld van 80 naar 20 ^oC (i.p.v. 35 ^oC)

Koelwater warmt nu op van 15 naar 70 ^oC (i.p.v. 60 ^oC)

Dat betekent dat de LMTD nu 7 ^oC (log gemiddelde van 10 en 5) is i.p.v. de vroegere 20 ^oC.

Bij een U in de range van 400 - 800 W/m².K is in deze nieuwe situatie een geschat oppervlak nodig van maar liefst: A = Q/(U*LMTD) = 50 tot 100 m² voor een koelvermogen van Q = 271 kW.

De lage debieten die je nu gebruikt in de berekening zijn nadelig voor benodigde A omdat ze de LMTD sterk verlagen.

warmtegeleiding coëfficiënt 390 w/m² k

Koper λ = 390 W/m.K niet W/m².K
Jij rekende dus in feite met de λ als ware het een U.
Dat had eigenlijk toch nog een realistische A op moeten opleveren, maar je ging de mist in met de eenheid van vermogen: in plaats van met 271 of 306 kW rekende je met slechts 306 W en dus vond je een belachelijk klein oppervlak:
A = 306/(396 * 5) = 0,157 m²
ruwweg een factor 1000 te laag, als de U werkelijk 390 zou zijn, want je zit immers een factor 1000 te laag met Q of P. Overigens had de LMTD 7 moeten zijn i.p.v. 5.

Ik dacht gisteren dat je een factor 1000 te hoog zat met je (niet zichtbare) U maar het was in feite de Q die een factor 1000 te laag was.

Peter wortel

Pinokkio schreef op 15 Dec 2016 - 17:51:

Ik heb eens wat beter naar jouw berekening gekeken.

bedankt voor je reactie

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)

Re: berekening voor te bouwen warmtewisselaar (motor koeling)