Short-Cut Engineering - Seminarübersicht

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1 Short-Cut Engineering - Seminarübersicht Einführung, Informationsbeschaffung Daumenregeln für verschiedene Basisgrößen und Einheiten Dimensionsanalyse und Ähnlichkeitstheorie Schätzung von Investitionskosten Strömungsgeschwindigkeiten in Rohrleitungen Pumpen und Kompressoren Wärmeübertrager Rektifikationskolonnen Rührwerksbehälter Reaktoren Wärmeübertrager - Kapitelübersicht Wärmeleitung, Wärmeübergang und Wärmedurchgang Ähnlichkeitstheorie und Kennzahlen Wärmeübertragung ohne Phasenübergang Temperaturprofile und treibende Potentiale Korrekturen für Kreuzstrom Wärmeverlust Abschätzung des Wärmedurchgangskoeffizienten Rechenwege zur Auslegung Heuristische Regeln zur Auslegung von Wärmeübertragern 2

2 Aufgabenstellung - Dimensionierung eines Wärmeübertragers 3 Aufgabenstellung - Dimensionierung eines Wärmeübertrager Abführen der Reaktionswärme aus adiabatem Betrieb der Reaktoren Wärmeabfuhr in drei Stufen (Produktmassenstrom: 36 t/h): 450 C 280 C (kühlen) Aufgabe: Festlegung der Bauform und des Werkstoffs Festlegung des Wärmeträgermediums (HTM) Berechnung des zu übertragenden Wärmestroms Berechnung der wärmeübertragenden Fläche Ermittlung des Preises Dampfdruck Wasser: 0,25 ( ) T / C = 00 p / bar VH(260 C) = 660 kj/kg 4

3 Auslegung von Wärmeübertragern - Basis. HS - Enthalpiebilanz 2. HS - Richtung des Wärmestroms Fluss = Leitfähigkeit treibendes Potential I = U R Reihenschaltung von Widerständen 5 Wärmeübergang - Fallunterscheidung (c) Henne 6

4 Wärmeübergang bei freier und erzwungener Konvektion Fourier sche Gleichung, Platte T Wärmestrom Einheit: kw Q = #" A dt dx T A dt Wärmestromdichte Einheit: kw/m 2 q Q / A q = #" dt dx T 2 dx x Wenn, A = const Q " = A s ( T # T 2 ) s Leistung = Arbeit/Zeit 7 Auslegung von Wärmeübertragern - Wärmeübergang Fluid/Wand Thermische Grenzschicht. Wärmetransport nur durch Wärmeleitung senkrecht zur konvektiven Strömungsrichtung. erzwungene Konvektion T T W "x A Wärmestrom 8

5 Wärmeübergang und Wärmedurchgang T Wärmetransportmechanismen: # I Wärmeübergang Fluid - Wand Wärmeleitung durch die Wand 2 Wärmeleitung durch die Wand 2 3 Wärmeleitung durch die Wand 3 # A Wärmeübergang Wand - Fluid Wärmedurchgangskoeffizient k T 2 Q = k A "T $ R th n =$ i= R R 2 R 3 R 4 R 5 Ri = " A I I s + # A s2 + # A 2 2 s3 + # A " A A A Analogie: Reihenschaltung elektrischer Widerstände I = U R 9 Hydraulischer Durchmesser als kennzeichnende Länge Konzept: Berechnung einer kennzeichnenden Länge für einen kreisförmigen Querschnitt mit dem gleichen Verhältnis von durchströmtem Querschnitt A zu benetztem Umfang U wie der betrachtete durchströmte Querschnitt d h = 4 A U d 2 h,kreis = " d / 4 = 4 " d d a b 2 a b d h = 4 = 2 + ( a + b) ( a b) 2 2 ( D " d ) # d 4 h = 4 = D " d = 2 s # d ( D + d) h = 4 # 4 # 2 2 ( D " n d ) D = " n d ( D + n d) D + n d 2 2 0

6 Dimensionslose Kennzahlen der Wärmeübertragung Nußelt-Zahl Reynolds-Zahl Prandtl-Zahl Grashof-Zahl l ist hier die kennzeichnende Länge. Bei durchströmten Körpern gilt: l = dh, der hydraulische Durchmesser Nußelt-Funktion, turbulente Rohrströmung, erzwungene Konvektion Fall: Erzwungene Konvektion in einer durchströmten Rohrleitung Turbulente Rohrströmung (Gnielinski) Nu 0 = ( Re" 000) #Pr 8 + 2,7 # ( ) #, + +, 8 # Pr2/3 " *, $ & % d i L ' ) ( 2/3 - / /./ # = (,82 " log( Re),64) 2 Gültigkeitsbereiche 2

7 Nußelt-Funktion, laminare Rohrströmung, erzwungene Konvektion Laminare Rohrströmung (Hausen).,, & d# 0,9 ( $ Re( Pr( % L " Nu 0 = 3,66 + ( 0,467, $ d & # ) % ' W ", - 0,8 + 0,7 ( $ Re( Pr( % L " + ) ) & ' $ ) * # 0,4 Laminare Rohrströmung (Schlünder) d Nu L di 0, Re" Pr" 0 L i 0 = 3,66 +,6 Re Pr 4 Korrektur der Wärmestromrichtung - bei Flüssigkeiten & $ Pr # Nu = Nu0 ' $ Pr % W " 0, - bei Gasen & $ T # Nu = Nu0 ' $ T % W " n 3 Vergleich von Nußelt-Funktionen - turbulente Rohrströmung i / W/(m_ K) gerade gekrümmt ± 25 % Perry VtB Elsner VDI WA Mittelw. 4

8 Durchströmtes Rohr, Nu =Nu(Re, Pr, di/l) nach Schlünder (laminar) und Gnielinski (turbulent) 5 Auslegung von Wärmeübertragern - Tlog,m "T gr = = 65 K Aus Enthalpiebilanz und analytischer Lösung der resultierenden DGL: ' T log,m ) ' T gr ( ' T & ' T ln$ % ' T gr kl kl # " Q = k " A m " T log,m "T kl = 40-5 = 25 K Näherung: Bei < T gr /T kl < 2 kann auch der arithmetische Mittelwert der Temperaturdifferenzen verwendet werden ( T 65 ' 25 & 65 # ln$ % 25 " log, m = = 42 K 6

9 Wärmeübertragung im Gleichstrom und im Gegenstrom Gleichstrom Gegenstrom 7 Temperaturprofile im Gleich- und Gegenstrom Gegenstrom ohne Phasenübergang Gleichstrom ohne Phasenübergang T h,e T h,e Kühlen Kühlen T h,a T k,a T h,a Heizen T k,e T k,e Heizen T k,a Kondensieren und Abkühlen Verdampfen und Erhitzen T h,e Überhitzung abbauen Unterkühlen T h,e Kühlen Kondensieren T h,a T h,a T k,a T k,a Verdampfen Heizen T k,e Überhitzen Aufheizen T k,e 8

10 Fouling - Verringerung des Wärmedurchgangskoeffizient durch Ablagerungen Wärmewiderstand durch Schmutz Medium R f [m" K/W] hartes Wasser 0,00-0,006 Abwasser 0,00-0,002 Trinkwasser 0,0002-0,0004 Meerwasser 0,000-0,0002 Heizöl 0,00 pflanzliche Öle 0,0006 Druckluft 0,0004 Motorenschmieröl 0,0002 organische Wärmeträgermedien 0,0002 Kühlflüssigkeit 0,0002 Wasserdampf 0,000 typisch: 0,0008 m 2 K/W 9 Veränderung der notwendigen Flächen bei Fouling %"#$ "#$%&'($)*+,&(-#$./$%02"34 ("%$ ("#$ '"%$ '"#$ &"%$ &"#$ "%$ "##*+#($ &"##*+#($ ("##*+#($,"##*+#($ "#$ #$ %##$ )###$ )%##$ &)###$ &)%##$ ')###$ ')%##$ ()###$ ()%##$ %)###$ 0 5#6, : 7;4 20

11 Überschlägige Wärmedurchgangskoeffizienten k: Wasser - Flüssigkeit: Flüssigkeit - Flüssigkeit: Flüssigkeit - Gas: Gas - Gas: Verdampfer: Kondensatoren: ~ 850 W/m"/K ~ 285 W/m"/K ~ 30 W/m"/K ~ 30 W/m"/K ~ 00 W/m"/K ~ 850 W/m"/K 2 Kriterien zur Auswahl von Wärmeübertragern ohne Phasenübergang Typ Druck Temperatur Fläche Strömungsgeschw. [bar] [ C] [m"] Mantel/Rohr [m/s] Doppelrohr 300 (Mantel) ,25-20 L: 2-3 / (Rohr) G: 0-20 / 0-20 Rohrbündel L: -2 / 2-3 G: 5-0 / 0-20 scraped wall ~, < L: -2 / -2 Platte, gedichtet, L: -2 / -2 G. 5-0 / 5-0 Platte, geschweißt 30 > L: -2 / -2 G: 5-0 / 5-0 L: Flüssigkeit, G: Gas 22

12 Kriterien zur Auswahl von Kondensatoren Typ Fläche Viskosität Fluide [m"] [Pas] vertikal, Mantelseite 3-200,0 Kopfprodukte der Rektifikation vertikal, Rohrseite 3-200,0 organische Dämpfe horizontal, Mantelseite ,0 organische Dämpfe, Kühlmittel horizontal, Rohrseite ,0 Hochdruckdämpfe luftgekühlt ,0 organische Dämpfe, Kühlmittel Platte, gedichtet - 200,0 Temperatur durch Dichtung limitiert plate-fin ,0 saubere Fluide (Rippen) kein Fouling 23 Kriterien zur Auswahl von Verdampfern Typ Fläche Viskosität Fluide [m"] [Pa s] Behälter, mantelbeheizt ,0 wärmeempfindliche Stoffe fallender Film ,0 wärmeempfindliche Stoffe langes Rohr, vertikal ,0 keine verzundernden Fluide kurzes Rohr, vertikal ,0 nur niedrigviskose Fluide erzwungene Konvektion ,0 niedrige und hohe vertikal Viskosität, Pasten erzwungene Konvektion ,0 niedrige und hohe horizontal Viskosität, Pasten scraped wall nur hochviskose Fluide 24

13 Wärmeübertrager - Erfahrungsregeln I Jeder Designprozess sollte durch Checklisten geführt werden Bei einem Rohrbündelwärmeübertrager geht man zuerst von reinem Gegenstrom aus, danach erfolgt die Korrektur der mittleren treibenden Temperaturdifferenz, Korrekturfaktor F > 0,85 Die Rohrseite ist besser geeignet für korrosive und zundernde Fluide sowie für Fluide, die zu Fouling neigen Die Mantelseite ist geeignet für viskose Fluide und für kondensierende Fluide Akzeptierbarer Druckverlust ohne Phasenübergang ~ mbar, akzeptierbarer Druckverlust bei Sieden ~ 00 mbar Minimale Temperaturdifferenz an den Zu- und Abläufen ~ 5-0 K Kühlwasserzulauf ~ 30 C, Kühlwasserablauf ~ 45 C Maximale Wärmestromdichte bei Verdampfern: ~ 3,5 kw/m" 25 Wärmeübertrager - Erfahrungsregeln II Doppelrohrwärmeübertrager sind bis 0-20 m" konkurrenzfähig Plattenwärmeübertrager sind um % preiswerter als vergleichbare Rohrbündelwärmeübertrager Kompakte und Rippen-Wärmeübertrager haben 3-4 mal größere volumenbezogene wärmeübertragende Flächen als Rohrbündelwärmeübertrager Luftkühler verfügen über 5-20 m"/m" wärmeübertragende Flächen Um bei Luftkühlern eine Leistung von 000 kw Wärme zu übertragen, benötigt man ein Gebläse mit 5-2 kw Leistung 26

14 Wärmeübertrager - Erfahrungsregeln III Industrieöfen haben einen thermischen Wirkungsgrad von % Der Strahlungsanteil beträgt bei Öfen der konvektive Anteil beträgt bei Öfen ~ 38 kw/m", ~ 2 kw/m" Die Strömungsgeschwindigkeit in Verdampfern mit erzwungener Zirkulation liegt im Bereich von 4,5-6,0 m/s Gelöste Feststoffe führen zu einer Temperaturdifferenz zwischen Lösung und gesättigtem Dampf im Bereich von,7-5,5 K Die optimale Dicke einer Isolierung variiert primär mit der Temperatur: 00 C 20 mm 200 C 30 mm 300 C 50 mm 27 Wärmeträgermedien (HTM) - Erfahrungsregeln Wasser: 8 C am Zulauf bis 50 C am Ablauf, u >,5 m/s Luft: 8 C am Zulauf bis 50 C am Ablauf, u = m/s Dampf:,7 MPa # C, 4,3 MPa # 260 C Bei niedrigem Druck, 0, - 0,2 MPa können folgende Kühlmedien eingesetzt werden: C: geschmolzene Salze 30 C: Marlotherm SH oder Dowtherm G 285 C: Dowtherm A 75 C: Dowtherm J 00 C: Ethan 50 C: Propan, Propen 30 C: Ammoniak 0 C: Butan 28