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Praktikumsversuch Doppelrohrwärmetau­scher

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Process engineering

University, School

GSO-Hochschule Nürnberg

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Praktikumsbericht Diplomstudium Verfahrenstechnik

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Text by Roberto Z. ©
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Langzeitprotoko­ll NWT-Chemie Herstellung eines Produkts aus nachhaltigen Rohstoffen 9b Inhaltsverzeich­nis­ Seite 3: Realisierung Seite 4: Konzeption Seite 5: Konzeption Seite 6: Realisierung – Versuchsreihe 1 Seite 7: Realisierung – Versuchsreihe 1 Seite 8: Realisierung – Versuchsreihe 1 Seite 9: Realisierung – Versuchsreihe 1 Seite 10: Realisierung - Auswertung der Versuchsreihe 1 Seite 11: Realisierung - Auswertung der Versuchsreihe 1 Seite 12: Realisierung - Auswertung der Versuchsreihe 1 Seite 13: Realisierung – Versuchsreihe 2 Seite 14: Erprobung Seite 15: Abnahme Seite 16: Quellenverzeich­nis­ Das Projekt 1. Vorbereitung Welche Aufgabe haben wir? - Ein Produkt aus nachwachsenden/­nac­hhaltige­n Rohstoffen herstellen. Was ist das Ziel? - Ein möglichst billiges und qualitativ hochwertiges Produkt aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen Grobe Projektplanung: 1. Besprechung, welches Produkt wir herstellen könnten 2. Recherche nach Rezepten 3. Rezepte ausprobieren 4. Produkt nach bestem Rezept herstellen und optimieren 5. Qualität..
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 des Gesteins erweitert und das Gestein somit noch wasserdurchläss­ige­r ð ausgedehnte unterirdische Entwässerung anstelle einer oberflächlichen Entwässerung mit durchgängigen Flüssen und Tälern - gute Erhaltung der oberflächlichen Formen, da eine weitere Überformung da wegen Mangel an fließendem Wasser kaum stattfindet - Karsterscheinun­gen­ findet man in Gips bzw. Andryhit, Kalk und Dolomit (abnehmende Löslichkeit): ca. 1/5 der festen Erdoberfläche besteht aus diesen Gesteinen und ist daher karstanfällig - Die Geschwindigkeit der Lösung wird bestimmt durch den CO2- Gehalt der Luft in Bodennähe (kann durch Tätigkeit der Pflanzen erhöht sein) und durch lösungsaggresiv­e Säuren, die beim Abbau organischer Substanz entstehen « Begriffe - Karst: geht auf das gleichnamige Kalkgebiet südöstlich von Triest zurück, das einen Teil des Dinarischen Gebirges bildet;

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 Wärmeta.....[read full text]




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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 den Wärmestrom die Formel:



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3 Versuchsdurchführung


3.1 Aufbau der Versuchsanlage


Der Doppelrohrwärmeübertrager (schematische Darstellung als Anlage 2) besteht aus zwei hintereinender geschalteten Doppelrohren aus Kupfer. Sie besitzen jeweils eine wirksame Länge von 1,5 m. Das Innenrohr hat einen Außendurchmesser von 22 mm und eine Wandstärke von 1mm, das Außenrohr hat einen Außendurchmesser von 35 mm und eine Wandstärke von 1,5 mm.

Die Temperaturen beider Fluidströme werden am Eingang und am Ausgang sowie jeweils in der Mitte des Apparates gemessen. Die beiden Volumenströme werden über Rotameter angezeigt. Die Messung erfolgt rechnerunterstützt mit Hilfe von LABVIEW, die Daten werden zur Weiterverabeitung in ein EXCEL-Programm (ein Ausdruck der Messergebnisse liegt im Anhang 1 bei) eingelesen.

Die beideneintretenden .....

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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 Abh.....

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Im Gleichstrombetriebt ergibt sich aus Messung Nr. 8 der in Abb. 7 ersichtliche Temperaturverlauf. Der sich wie folgt darstellen lässt:


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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Praktikumsversuch Doppelrohrwärmetauscher: Außerdem wird für das warme Fluid, wie allgemein üblich, der Index 1 und für das kalte Fluid Index
Praktikumsversuch Doppelrohrwärmetauscher: Bei jedem Versuch soll der warme Fluidstrom jeweils genauso groß wie der kalte Fluidstrom sein
Praktikumsversuch Doppelrohrwärmetauscher: 6 ist der Temperaturverlauf aus Messung-Nr
Praktikumsversuch Doppelrohrwärmetauscher: Betrachtet man den mittleren übertragenen Wärmestrom im Bezug auf den Massenstrom, so ergibt

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