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
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 Wärmestromdichte 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
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, den äußeren Wärmeübergangskoeffizienten bei der Kondensation eines binären Gemisches aus n-Pentan und iso-Oktan an einem horizontalen, niedrig berippten Stahlrohr experimentell zu bestimmen und das Kondensationsverhalten in Abhängigkeit von der Wärmestromdichte und der Gemischzusammensetzung zu analysieren.
- Experimentelle Untersuchung von Gemischkondensation an einem niedrig berippten Rippenrohr
- Vergleich der experimentell ermittelten Wärmeübergangskoeffizienten mit Reinstoff-Referenzwerten
- Quantifizierung des Einflusses der Gemischzusammensetzung (Molanteil) auf das Kondensationsverhalten
- Analyse der Transportphänomene (Diffusion, Stofftransportwiderstand) in der Dampf- und Kondensatphase
- Aufstellung von Korrelationsgleichungen für dimensionslose Kennzahlen wie Lewis-Zahl und relative Flüchtigkeit
Auszug aus dem Buch
2.3 Grundlagen der Gemischkondensation
In technischen Kondensationsprozessen werden häufig keine Reinstoffdämpfe kondensiert, sondern Dämpfe von Stoffgemischen. Dabei hängt das Kondensationsverhalten von jeder der beteiligten Komponenten in Dampf- und Kondensatphase ab [23]. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Zweistoffgemisch untersucht, weshalb sich auch diese Einführung auf binäre Gemische beschränken soll. Während bei Reinstoffen die Siedetemperatur und der Sättigungsdampfdruck einander eindeutig festlegen, ist das Phasengleichgewicht von Stoffgemischen zusätzlich durch die Zusammensetzung der beiden Phasen beeinflusst.
Bei der Filmkondensation von Reinstoffdämpfen limitiert lediglich die Abfuhr der Kondensationsenthalpie als Wärmestrom hin zum Kühlmedium die übertragene Leistung. Bei der Kondensation von Gemischen hingegen wirkt zudem der Stofftransport durch die Bewegung der Dampfteilchen hin zur Oberfläche, auf der die Kondensation stattfindet, limitierend. Dies äußert sich im Verlauf des Wärmeübergangskoeffizienten α. Mircovich und Missen [24] veranschaulichen diesen Effekt anhand eines Gemischs aus Methanol und Dichlormethan.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Motivation für die Untersuchung von Energieeffizienz und Wärmeintegration in industriellen Prozessen sowie Darstellung der Zielsetzung der Arbeit.
2 Theoretische Grundlagen: Einführung in die Wärmeübertragung, Kondensationstheorien (Nußelt) und die spezifischen Herausforderungen bei der Kondensation binärer Gemische.
3 Experimentelle Durchführung: Detaillierte Beschreibung der Versuchsapparatur, des Messaufbaus und der methodischen Vorgehensweise bei der Probenanalyse und Datenauswertung.
4 Ergebnisse und Diskussion: Präsentation der experimentellen Daten, Vergleich mit theoretischen Modellen und Diskussion der Einflüsse von Wärmestromdichte und Gemischzusammensetzung.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Zusammenfassung der wesentlichen Erkenntnisse und Vorschläge für weiterführende Untersuchungen zur Erhöhung der Wärmestromdichte.
Schlüsselwörter
Kondensation, Binäres Gemisch, Rippenrohr, Wärmeübergangskoeffizient, n-Pentan, iso-Oktan, Wärmestromdichte, Phasengleichgewicht, Stofftransportwiderstand, Lewis-Zahl, Film-Reynolds-Zahl, Wärmeintegration, Stoffdaten, Experimentelle Bestimmung, Nußelt-Theorie
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Es geht um die experimentelle Untersuchung der Kondensation eines binären Kohlenwasserstoffgemisches an einem niedrig berippten Kühlrohr, um den Wärmeübergang zu bestimmen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Themenfelder sind die Wärmeübertragung bei der Kondensation, die Modellierung von Stofftransportwiderständen bei Gemischen sowie die messtechnische Erfassung von Wärmeströmen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die experimentelle Bestimmung des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten für ein n-Pentan/iso-Oktan-Gemisch und die Analyse dessen Abhängigkeit von der Wärmestromdichte und der Gemischzusammensetzung.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wurde eine experimentelle Einzelrohranlage genutzt, wobei Messdaten (Temperatur, Druck, Massenstrom) über ein LabVIEW-System erfasst und anschließend mit Tabellenkalkulation ausgewertet wurden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden die theoretischen Grundlagen des Wärmetransports, der Versuchsaufbau, die Durchführung der Messreihen sowie die Auswertung der gewonnenen Daten mittels Korrelationsgleichungen detailliert beschrieben.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Kondensation, Rippenrohr, Wärmeübergangskoeffizient, binäres Gemisch, Stofftransportwiderstand und Wärmestromdichte.
Warum ist die Kondensation von Gemischen komplexer als die von Reinstoffen?
Bei Gemischen tritt zusätzlich zum Wärmetransport ein Stofftransport durch Diffusion auf, da sich der weniger stark kondensierende Stoff an der Phasengrenze anreichert, was den Wärmedurchgang behindert.
Warum wurde ein Rippenrohr untersucht und kein Glattrohr?
Rippenrohre werden zur Oberflächenvergrößerung eingesetzt, um den Wärmeübergang gegenüber Glattrohren effizienter zu gestalten, was für industrielle Kondensatoren von großer Bedeutung ist.
- 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
