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Seminararbeit / Hausarbeit

Praktikumsversuch Doppelrohrwärmetauscher

1.566 Wörter / ~16 Seiten sternsternsternsternstern_0.75 Autor Gerald Z. im Jan. 2011
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Dokumenttyp

Seminararbeit
Verfahrenstechnik

Universität, Schule

GSO-Hochschule Nürnberg

Note, Lehrer, Jahr

Praktikumsbericht Diplomstudium Verfahrenstechnik

Autor / Copyright
Gerald Z. ©
Metadaten
Preis 5.30
Format: pdf
Größe: 0.16 Mb
Ohne Kopierschutz
Bewertung
sternsternsternsternstern_0.75
ID# 3640







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 .....[Volltext lesen]

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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 Wärmedurchgangskoeffizient stärker vergrößert.


Abb. 4: Übertragener Wärmestrom in Abhängigkeit vom Massenstrom


Abb. 5: Gem. Wärmedurchgangskoeffizient in Abhängigkeit vom Massenstrom



4.2 Auswer.....

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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 Messwerten


Der Wärmedurchgangskoeffizient k kann aus der Gleichung (1) ermittelt werden.

(1)

Der mittlere Wärmestrom (Gleichung (2)) ist mit Hilfe der Gleichungen zur Berechnung von und zu bestimmen.


(2)

Die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz ist durch die Gleichung (3) gegeben und kann aus den gemessenen Temperaturen am Eintritt und am Austritt des Wärmeübertragers und den größten und kleinsten Temperaturdifferenzen ( und ) zwischen den Medien berechnet werden.

(3)


Es wird empfohlen, als Wärmeübergangsfläche A die Außenfläche des Innenrohrs einzusetzen, d.h. der Wärmedurchgangskoeffizient kgem ist auf diese Fläche zu beziehen.



.....

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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 Wärmeübergangskoeffizient.



●Wärmeübergangskoeffizient für den Ringspalt


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

(10)

(11)

(12)




- Laminare Strömung

Für den laminaren Fall im Ringspalt berechnet sich die mittlere Nußelt-Zahl nach Gleichung (13).

(13)



Nu1 und Nu2 sind durch die Gleichungen (14) und (15) bestimmt. Die Stoffwerte die zur Berechnung von Re und Pr benötigt werden sind auf die arithmetisch gemittelte Temperatur des Mediums zu beziehen.


(14)


(15)


Der hydraulische Durchmesser dh ergibt sich nach Gleichung (16).

(16)



- Turbulente Strömung

Zur Ermittlung der Nußelt-Zahl bei turbulenter Strömung gilt Gleichung (17).

(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 .....

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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 geringerem Durchfluss.

Bei Gegenstromführung sind die parallelen Temperaturverläufe der heißen und kalten Fluidströme auf die identisch eingestellten Massenströme zurüchzuführen. Im Gleichstrombetrieb sind die beiden Temperaturdifferenzen des kalten und warmen Fluidstroms ebenfalls aufgrund identischer Massenströme von gleichem Wert.


Ein Vorteil des Gegenstromwärmeübertragers lies sich beim Versuch Gegen-/Gleichstrom erkennen. Der Versuch zeigte, dass beim Gegenstromwärmeübertrager die Ausrittstemperaturen des kalten Fluids höher sind, als beim Gleichstrom-wärmeübertrager. Der Gegenstromwärmeübertrager gab also mehr Wärme an .....



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