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Praktikumsversuch Doppelrohrwärmetau­scher

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Process engineering

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GSO-Hochschule Nürnberg

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Praktikumsbericht Diplomstudium Verfahrenstechnik

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Text by Roberto Z. ©
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Karst « Allgemeines - Voraussetzungen­: Lösliches Gestein mit hoher mineralischer Reinheit (möglichst geringer Anteil an nichtlöslichen Bestandteilen, z.B. Ton- oder Schluffpartikel ð verstopfen Klüfte) und ausreichend vorhandenes Wasser in flüssiger Form - Karst entsteht durch Lösungsverwitte­run­g (Art der chemischen Verwitterung) mit Fortführung des gelösten Gesteins - durch Materialdefizit entstehen umfangreiche unterirdische und oberirdische Hohlformen - durch Lösung werden zahlreiche Klüfte und Fugen…

Praktikum - Versuch:

Wärme- und Stoffübertragung - Doppelrohrwärmeübertrager


Inhaltsverzeichnis


1 Theoretische Grundlagen


1.1 Allgemeines zu Wärmeübertragern


2 Aufgabenstellung


3 Versuchsdurchführung


3.1 Aufbau der Versuchsanlage


3.2 Durchführung der Messungen


4 Versuchsauswertung


4.1 Auswertung der 1. Versuchsreihe


4.2 Auswertung der 2. Versuchsreihe


4.3 Berechnung von aus den Messwerten


4.4 Berechnung von


5 Zusammenfassung


6 Anhang

Anhang 1: Tabelle aller Messergebnisse


Anhang 2: Schematische Darstellung des verwendeten Wärmetauschers


1 Theoretische Grundlagen


1.1  Allgemeines zu Wärmeübertragern


In einem Wärmeübertrager wird Wärme von einem Fluid hoher Temperatur auf ein Fluid niederer Temperatur übertragen. Dabei ergibt sich eine Temperaturänderung der Fluide im Wärmeübertrager, die wiederum für jede Bauart des Wärmeübertragers charakteristisch ist.

Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten wie man Wärmeübertrager technisch realisieren kann. In rekuperativen Wärmeübertragern wird kontinuierlich Wärme von einem heißen Fluid an ein kälteres Fluid übertragen.

Regenerative Wärmeübertrager werden diskontinuierlich betrieben, d.h. die Wärme vom Fluid wird zunächst an eine feste Speichermasse übertragen, von der sie in einem zweiten Schritt an das andere Fluid abgegeben wird. Zu den gebräuchlichsten Bauarten der rekuperativen Wärmeübertrager zählen zum Beispiel Rohrbündelwärmeübertrager, Kreutzstrom-wärmeübertrager, Doppelrohrwärmeübertrager oder der Plattenwärme-übertrager.

Der im Versuch verwendete Doppelrohrwärmeübertrager ist durch seine einfache Bauform gekennzeichnet. Er bietet die Möglichkeit, die Temperaturverläufe im Apparat und den Einfluss des Massenstroms auf den übertragenen Wärmestrom sehr einfach messtechnisch zu bestimmen. Abb. 1 zeigt einen Doppelrohrwärme-übertrager im Gleichstrombetrieb.


Abb. 1: Doppelrohrwärmeübertrager im Gleichstrombetrieb


Der Wärmeübertrager kann nicht nur im Gleichstrom, wie in Abb. 1 gezeigt, sondern auch im Gegenstrom betrieben werden. Bei den jeweiligen Betriebsarten ergeben sich die in Abb. 2 unten dargestellten grundsätzlichen Temperaturverläufe.


Abb. 2: Temperaturverläufe im Gleich- und Gegenstromübertrager


Entsprechend der allgemein gebräuchlichen Konvention sind in der Abbildung die Temperaturen der eintretenden Fluidströme mit einem Strich und die der austretenden Fluidströme mit zwei Strichen gekennzeichnet. Außerdem wird für das warme Fluid, wie allgemein üblich, der Index 1 und für das kalte Fluid Index 2 verwendet.

Der übertragene Wärmestrom hängt von der Übertragungsfähigkeit des Wärmeübertragers und der mittleren treibenden Temperaturdifferenz zwischen dem warmen und kalten Fluid ab. Somit ergibt sich für d.....[read full text]

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Für die zweite Versuchsreihe werden in den Messungen 5 bis 8 die beiden Fluidströme im Gegenstrom jeweils gleich groß gehalten und wiederum zwischen 3 kg/min und 12 kg/min eingestellt. Anschließend wird der Versuchsapparat auf Gleichstrombetrieb umgestellt und analog zu den Messungen 5 bis 8 vorgegangen.

Die komplette Messung liegt im Anhang 1 bei.



4 Versuchsauswertung


4.1 Auswertung der 1. Versuchsreihe


In Abb. 3 wurden die Austrittstemperaturen beider Fluide in Abhängigkeit von den variierenden Massenströmen aufgetragen. Dabei steigen die Austrittstemperaturen der beiden Fluide, mit Erhöhung des Massenstroms, stetig.

Dies ist auf die steigende Geschwindigkeit des warmen Massenstroms zurückzuführen. Bei steigender Strömungsgeschwindigkeit kann mehr Wärme an den kalten Massenstrom abgegeben werden. Die mittlere treibende Temperaturdifferenz nimmt mit steigender Geschwindigkeit zu und es ist ein verbesserter Wärmeübergang möglich.

Das die Austrittstemperatur des warmen Massenstroms steigt, liegt an der Geschwindigkeitserhöhung, da nun das warme Fluid immer weniger Zeit zum abkühlen hat.

Abb. 3: Ausgangstemperaturen in Abhängigkeit vom Massenstrom


Betrachtet man den mittleren übertragenen Wärmestrom im Bezug auf den Massenstrom, so ergibt sich die in Abb. 4 gezeigte Kurve. Der mittlere übertragene Wärmestrom steigt dabei kontinuierlich mit zunehmenden Massenstrom an.

Außerdem steigt die mittlere treibende Temperaturdifferenz und somit erhöht sich der Wärmedurchgangskoeffizient (Abb. 5) schwächer im Vergleich zum Wärmestrom. Das bedeutet aber auch, dass sich bei schwächer steigendem Wärmestrom der Wärmedurchgangskoeffi.....

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Abb. 7: Temperaturverlauf im Gleichstrombetrieb




Der Vergleich der Temperaturverläufe von Gleich- und Gegenstromwärmeübertrager wird in Abb. 8 exemplarisch für einen Massenstrom von 6 kg/min dargestellt.

Im Diagramm ist zu erkennen, dass die Austritttemperatur des kalten Massenstroms im Gegenstromwärmeübertrager größer ist als im Gleichstromwärmeübertrager. Also wird der kalte Massenstrom bei ein und derselben Eintrittstemperatur des warmen Messenstroms um eine kleine Differenz mehr erwärmt.

Daraus ist zu schließen, dass ein Gegenstromwärmeübertrager hinsichtlich der Erwärmung eines kalten Fluides einen besseren Wirkungsgrad besitzt.


Abb. 8: Vergleich von Gleich- und Gegenstrombetrieb, 6 kg/min



4.3 Berechnung von aus den .....

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Bezieht man den Wärmedurchgangskoeffizienten k auf die Außenfläche des Innenrohrs und vernachlässigt den Term wegen der geringen Rohrwand-stärken, so ergibt sich Gleichung (5).

(5)


Die Wärmeübertragenden Flächen und berechnen sich wie folgt:

●Wärmeübergangskoeffizient für das Innenrohr


Zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten werden die dimensionslosen Kennzahlen Nußelt-, Reynolds- und Prandtl-Zahl verwendet.

(10)

(11)

(12)


Der Wärmeübergangskoeffizient im Innenrohr kann im Falle voll ausgebildeter turbulenter Strömung über Gleichung (7) berechnet werden.

(7)


Der Reibungskoeffizient ist durch Gleichung (8) bestimmt.

(8)

Gleichung (7) besitzt die unter (9) angegebenen Gültigkeitsbereiche, die zu überprüfen sind.

(9)

Die Stoffdaten sind auf die arithmetisch gemittelte Flüssigkeitstemperatur zu beziehen. Der Wandleitungswiderstand in der Wand des Innenrohrs kann aus der Rohrwanddicke und der Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials berechnet werden.


Somit ergibt sich durch Umstellen der Gleichung (10) und durch einsetzen der errechneten Werte folgender W.....

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(17)


berechnet sich über Gleichung (18) mit dem durch Gleichung (8) gegebenen Reibungskoeffizient. Die Stoffwerte die zur Berechnung von Re und Pr benötigt werden sind auf die arithmetisch gemittelte Temperatur des Mediums zu beziehen.


(18)


Die Wärmeübergangskoeffizienten werden in Gleichung (5) eingesetzt.

In Gleichung () eingesetzt ergibt sich der berechnete Wärmestrom .

Vergleicht man den aus Messwerten ermittelten mittleren Wärmestrom mit dem berechneten Wärmestrom ist eine Abweichung um etwa festzustellen. Dies kann man vermutlich auf die verschiedenen Berechnungsarten der dimensionslosen Kennzahlen zurückführen.


5. Zusammenfassung


In den beiden durchgeführten Versuchsreihen wurde ermittelt, welche Zusammenhänge von Austrittstemperaturen, Wärmestrom und Wärmedurchgangs-koeffizienten mit der Veränderung des Massenstroms vorliegen. Außerdem wurde ein Vergleich von Gleich- und Gegenstromwärmeübertrager angestellt.

Aus den Versuchen festzuhalten ist, dass sich das warme Fluid bei hohem Durchfluss nicht so stark wie bei niedrigem Durchfluss abkühlt und dass bei höherem Durchfluss die Austrittstemperatur des kalten Fluids größer ist als bei .....

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Praktikumsversuch Doppelrohrwärmetauscher: Außerdem wird für das warme Fluid, wie allgemein üblich, der Index 1 und für das kalte Fluid Index
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