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Die Grenzen des Thermodesigns mit Colburn-Faktoren und Reibungsbeiwerten nach Kays und London

Compact Heat Exchangers von Kays und London

Seit seiner Erstausgabe im Jahre 1955 galt das Buch Compact Heat Exchangers von Kays und London als eines der besten Nachschlagewerke zum Thema Wärmetauscher- und Kühlplatten-Design. Die Colburn-Faktoren und Reibungsbeiwerte nach Kays und London wurden in den vergangenen fünf Jahrzehnten wahrscheinlich von vielen tausenden Wärmetechnikern angewendet. Außerdem werden diese lamellenbezogenen Daten in vielen Thermodesign-Softwareprogrammen eingesetzt. Obwohl die Colburn-Faktoren und Reibungsbeiwerte nach Kays und London den Technikern viele Jahre hindurch gute Dienste erwiesen haben und auch weiterhin eine wertvolle Bezugsquelle bleiben werden, haben sie ihre Grenzen.

Eine dieser Grenzen der Colburn-Faktoren und Reibungsbeiwerte nach Kays und London betrifft ihre Genauigkeit. Forschungen haben gezeigt, dass Genauigkeitsabweichungen der Colburn-Faktoren und Reibungsbeiwerte bei Kays und London bis zu 30 % betragen können, was insbesondere bei der Entwicklung von vakuumgelöteten Kühlplatten und Lamellenwärmetauschern kritisch ist. Aus diesem Grund verwendet Lytron zu 95 % nur die eigenen empirischen Daten. Lytron hat festgestellt, dass die Daten des Unternehmens, die über die letzten 50 Jahre gesammelt und durch reale Produkttests verfeinert wurden, wesentlich zuverlässiger sind. Durch die Anwendung von hochgenauen Massendurchfluss-, Temperatur- und Druckmesswerten sind Lytrons Techniker in der Lage, für die meisten Reynolds-Zahlen eine allgemeine F- u. J-Testgenauigkeit im Bereich von 3 - 5 % zu erreichen. Lytron verwendet die Daten von Kays und London im Allgemeinen nur dann, falls die eigenen Daten Lücken aufweisen.

Beim Einsatz von Thermodesign-Software auf der Basis von Colburn-Faktoren und Reibungsbeiwerten nach Kays und London zur Entwicklung einer Kühlplatte oder eines Wärmetauschers muss man sich dessen bewusst sein, dass die Software weder die Herstellbarkeit noch die Kosten berücksichtigen kann.  Ein Thermodesign, dass in der Theorie optimal aussehen kann, erweist sich in der Praxis möglicherweise als nur schwer oder überhaupt nicht realisierbar. Es kann auch sein, dass es nicht das kostengünstigste oder das bestmögliche Design ist, da es derart viele geometrische Kombinationsmöglichkeiten für Lamellen gibt, dass keine Software imstande ist, sämtliche Lamellenoptionen einzubeziehen.

Bei der Entwicklung von Kühlplatten oder Wärmetauschern ist es wichtig, die Grenzen der herkömmlichen Thermodesign-Softwareprogramme zu kennen. Während des Entwicklungsprozesses sollten die Wärmetechniker daher stets auch mit den Produktionstechnikern Rücksprache halten, um ein Feedback über die Machbarkeit des Designs einzuholen. Dies kann dazu beitragen, zukünftige Probleme zu vermeiden -  insbesondere wenn ein Kühlplatten- oder Wärmetauscher-Prototyp in die Produktion geht. Ein koordinierter Konstruktionsprozess führt zu einem Design, das nicht nur den thermischen und mechanischen Spezifikationen entspricht, sondern auch das Budget nicht überschreitet.

1 W. M. Kays and A. L. London, Compact Heat Exchangers, 2nd Edition, McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering. New York, 1964. 
2 Tests durchgeführt von Lytron Inc. und externen Prüfstellen.