Im Rahmen dieser Arbeit wird die Kondensation eines binären Gemiesches aus n-Pentan und iso-Octan in einem Wärmeübertrager mit einem niedrig berippten Kühlwasserrohr untersucht. Anhand experimentell gewonnener Daten konnte der äußere Wärmeübergangskoeffizient des niedrig berippten Rohres in der Versuchsanlage bestimmt werden. Die Abhängigkeit dieser Größe von der Wärmestromdichte wurde hinsichtlich einer Theorie zur Kondensation von Gemischen interpretiert. Zudem wurden die erhaltenen Werte mit theoretischen und experimentellen Ergebnisse für reine Fluide und für Gemische verschiedener Zusammensetzungen verglichen. Es wurden ferner Korrelationen zwischen der Film-Reynolds-Zahl und der Wärmestromdichte sowie zwischen der Lewis-Zahl bzw. der relativen Flüchtigkeit und dem Molanteil von n-Pentan nachgewiesen.
In Zeiten des anthropogenen Klimawandels, rückläufiger Versorgungssicherheit von Energieträgern sowie steigender und volatiler werdender Energiepreise kommt der Realisierung eines effienteren Umgangs mit Energie in allen Bereichen unserer Gesellschaft, so auch in der stoffumwandelnden Industrie, eine große Bedeutung zu. Dadurch können einerseits die Energiekosten der Unternehmen gesenkt sowie Preisschwankungen abgefedert werden und andererseits auch ein wichtiger Beitrag zum Gelingen der Energiewende geleistet werden. Diese soll dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) zufolge aus zwei Säulen bestehen, dem Ausbau der erneuerbaren Energien sowie der Erhöhung der Energieeffizenz.
Zum zweiten Punkt zählen die Einsparung von Energie durch Änderung des Verbrauchsverhaltens, insbesondere aber auch durch die Entwicklung technischer Lösungen, wie zum Beispiel der Erhöhung der Effizienz von Prozessen durch Wärmeintegration, wodurch der Bedarf an externer Energie stark gesenkt werden kann. Unter dem Konzept der Wärmeintegration versteht man nicht nur die Kombination von Kühl- und Heizprozessen, sondern alle Methoden der Erhöhung der Energieeffizienz in industriellen Prozessen. Hierzu gehört unter anderem auch die Optimierung des Wärmeübergangs in Wärmeübertragern, welche Gegenstand dieser Arbeit ist. Wärmeübertragungsprozesse spielen eine wichtige Rolle in der stoumwandelnden Industrie und sind für einen erheblichen Teil des Energiebedarfs in Deutschland verantwortlich. Aus diesem Grund ist ein besonderes Interesse an der Realisierung von Einsparpotentialen in diesem Bereich geboten.
Inhaltsverzeichnis
- Abstract
- Formelzeichen
- 1 Einleitung
- 2 Theoretische Grundlagen
- 2.1 Grundlagen der Wärmeübertragung
- 2.1.1 Arten des Wärmetransports
- 2.1.2 Konvektiver Wärmeübergang
- 2.1.2.1 Allgemeine Beschreibung der Problemstellung
- 2.1.2.2 Thermischer Widerstand und Wärmedurchgangskoeffizient
- 2.1.2.3 Logarithmisch gemittelte Temperaturdifferenz
- 2.1.2.4 Dimensionslose Kennzahlen
- 2.1.3 Theorien zur Kondensation von Reinstoffdämpfen
- 2.1.3.1 NUSSELTsche Wasserhauttheorie für Glattrohroberflächen
- 2.1.3.2 Modelle von BRIGGS und ROSE sowie KUMAR et al. für Rippenrohroberflächen
- 2.1.4 Film-REYNOLDS-Zahl
- 2.2 Experimentelle Bestimmung des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten
- 2.3 Grundlagen der Gemischkondensation
- 3 Experimentelle Durchführung
- 3.1 Aufbau der Versuchsanlage
- 3.2 Messbetrieb und Probenanalyse
- 3.2.1 Ablauf einer Messung
- 3.2.2 Analyse der Proben
- 3.2.2.1 Praktische Durchführung der Analyse
- 3.2.2.2 Umrechnung der Dichte in den Molanteil
- 3.3 Auswertung der Messdaten
- 4 Ergebnisse und Diskussion
- 4.1 Darstellung der Ergebnisse
- 4.1.1 Abhängigkeit des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten von Wärmemestromdichte und Molanteil
- 4.1.2 Vergleich zweier Gemische von n-Pentan und iso-Oktan mit unterschiedlichen Zusammensetzungen
- 4.1.3 Film-REYNOLDS-Zahl, diffusiver Wärmeübergangskoeffizient, LEWIS-Zahl und relative Flüchtigkeit
- 4.2 Fehlerabschätzung
- 5 Zusammenfassung und Ausblick
- A Korrelationen für die Stoffdaten des Kühlwassers
- B Ergebnisse der Messungen am VA-Stahl-Rippenrohr
- B.1 Wärmestromdichte und äußerer Wärmeübergangskoeffizient
- B.2 Film-REYNOLDS-Zahl, diffusiver Wärmeübergangskoeffizient und -widerstand, LEWIS-Zahl und relative Flüchtigkeit
- Literaturverzeichnis
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht die Kondensation eines binären Gemisches aus n-Pentan und iso-Oktan an einem Rippenrohr. Ziel ist die experimentelle Bestimmung des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten und dessen Abhängigkeit von verschiedenen Parametern. Die Ergebnisse werden mit theoretischen Modellen verglichen.
- Experimentelle Bestimmung des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten bei der Kondensation eines binären Gemisches.
- Untersuchung der Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten von der Wärmedichte und der Zusammensetzung des Gemisches.
- Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit theoretischen Modellen.
- Analyse der Film-Reynolds-Zahl, des diffusiven Wärmeübergangskoeffizienten, der Lewis-Zahl und der relativen Flüchtigkeit.
- Fehlerabschätzung der Messungen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in das Thema der Kondensation von binären Gemischen an Rippenrohren ein und beschreibt die Relevanz der Arbeit. Sie skizziert die Zielsetzung und den Aufbau der Arbeit.
2 Theoretische Grundlagen: Dieses Kapitel beschreibt die theoretischen Grundlagen der Wärmeübertragung, insbesondere die Konvektion und die Kondensation von Reinstoffen und Gemischen. Es werden relevante Gleichungen und Modelle vorgestellt, darunter die Nusselt-Theorie und Modelle für Rippenrohre. Die Bedeutung dimensionsloser Kennzahlen wie der Reynolds- und Lewis-Zahl wird erläutert und deren Einfluss auf den Wärmeübergang wird diskutiert. Der Fokus liegt auf der theoretischen Beschreibung des Wärmeübergangs bei der Kondensation von Gemischen, um einen Rahmen für die Auswertung der experimentellen Daten zu schaffen.
3 Experimentelle Durchführung: Dieses Kapitel beschreibt detailliert den Versuchsaufbau, den Ablauf der Messungen und die Analyse der Proben. Der Aufbau der Versuchsanlage, inklusive der verwendeten Messgeräte und deren Kalibrierung, wird präzise beschrieben. Der Ablauf einer einzelnen Messung, von der Vorbereitung bis zur Datenerfassung, wird Schritt für Schritt erklärt. Die Methode der Probenanalyse, einschließlich der Umrechnung der Dichte in den Molanteil, wird ausführlich erläutert. Der Abschnitt liefert die notwendigen Informationen, um die Reproduzierbarkeit der Experimente zu gewährleisten.
4 Ergebnisse und Diskussion: In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Experimente präsentiert und diskutiert. Die Abhängigkeit des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten von der Wärmedichte und dem Molanteil des Gemisches wird graphisch dargestellt und analysiert. Ein Vergleich der Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen und Literaturdaten wird durchgeführt. Die Bedeutung der Film-Reynolds-Zahl, des diffusiven Wärmeübergangskoeffizienten, der Lewis-Zahl und der relativen Flüchtigkeit wird im Kontext der Ergebnisse erörtert. Schließlich wird eine Fehlerabschätzung durchgeführt, um die Genauigkeit der erhaltenen Ergebnisse zu beurteilen.
Schlüsselwörter
Kondensation, binäres Gemisch, n-Pentan, iso-Oktan, Rippenrohr, Wärmeübergangskoeffizient, Wärmedichte, Film-Reynolds-Zahl, Lewis-Zahl, relative Flüchtigkeit, experimentelle Bestimmung, theoretische Modellierung.
Häufig gestellte Fragen zur Bachelorarbeit: Experimentelle Untersuchung der Kondensation eines binären Gemisches aus n-Pentan und iso-Oktan an einem Rippenrohr
Was ist das Thema der Bachelorarbeit?
Die Bachelorarbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung der Kondensation eines binären Gemisches aus n-Pentan und iso-Oktan an einem Rippenrohr. Im Mittelpunkt steht die Bestimmung des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten und dessen Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie Wärmedichte und Gemischzusammensetzung.
Welche Ziele werden in der Arbeit verfolgt?
Die Arbeit hat zum Ziel, den äußeren Wärmeübergangskoeffizienten experimentell zu bestimmen und dessen Abhängigkeit von der Wärmedichte und der Zusammensetzung des Gemisches zu untersuchen. Die experimentellen Ergebnisse werden mit theoretischen Modellen verglichen. Weitere Ziele sind die Analyse dimensionsloser Kennzahlen wie der Film-Reynolds-Zahl, der Lewis-Zahl und der relativen Flüchtigkeit sowie eine Fehlerabschätzung der Messungen.
Welche theoretischen Grundlagen werden behandelt?
Die Arbeit behandelt die theoretischen Grundlagen der Wärmeübertragung, insbesondere Konvektion und Kondensation von Reinstoffen und Gemischen. Es werden Modelle wie die Nusselt-Theorie und Modelle für Rippenrohre vorgestellt. Die Bedeutung dimensionsloser Kennzahlen und deren Einfluss auf den Wärmeübergang wird diskutiert. Ein Schwerpunkt liegt auf der theoretischen Beschreibung des Wärmeübergangs bei der Kondensation von Gemischen.
Wie wurde die experimentelle Untersuchung durchgeführt?
Die experimentelle Untersuchung umfasste den Aufbau einer Versuchsanlage, die Durchführung von Messungen und die Analyse der Proben. Der Aufbau der Anlage, der Ablauf der Messungen und die Probenanalyse (inkl. Umrechnung der Dichte in den Molanteil) werden detailliert beschrieben. Die Informationen sollen die Reproduzierbarkeit der Experimente gewährleisten.
Welche Ergebnisse wurden erzielt und wie wurden sie diskutiert?
Die Ergebnisse zeigen die Abhängigkeit des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten von Wärmedichte und Molanteil des Gemisches. Diese Abhängigkeit wird graphisch dargestellt und analysiert. Ein Vergleich mit theoretischen Vorhersagen und Literaturdaten wird durchgeführt. Die Bedeutung der Film-Reynolds-Zahl, des diffusiven Wärmeübergangskoeffizienten, der Lewis-Zahl und der relativen Flüchtigkeit wird im Kontext der Ergebnisse erörtert. Eine Fehlerabschätzung bewertet die Genauigkeit der Ergebnisse.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit?
Schlüsselwörter sind: Kondensation, binäres Gemisch, n-Pentan, iso-Oktan, Rippenrohr, Wärmeübergangskoeffizient, Wärmedichte, Film-Reynolds-Zahl, Lewis-Zahl, relative Flüchtigkeit, experimentelle Bestimmung, theoretische Modellierung.
Welche Kapitel enthält die Arbeit?
Die Arbeit umfasst Kapitel zu Einleitung, theoretischen Grundlagen (inkl. Wärmeübertragung, Konvektion, Kondensation von Reinstoffen und Gemischen), experimenteller Durchführung (Versuchsaufbau, Messbetrieb, Probenanalyse), Ergebnissen und Diskussion (inkl. Fehlerabschätzung), sowie Zusammenfassung und Ausblick. Zusätzlich gibt es Anhänge mit Korrelationen für Stoffdaten und detaillierten Messergebnissen.
- Quote paper
- Florian Grodeke (Author), 2015, Erhöhung der Energieeffizienz durch Wärmeintegration. Bestimmung des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten bei der Kondensation eines binären Gemisches an einem Rippenrohr, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/336710
