Praktikum. Technische Chemie. Europa Fachhochschule Fresenius, Idstein. Versuch 01. Wärmetransport durch Wärmeleitung und Konvektion

Transkript

1 Praktikum Technische Chemie Europa Fachhochschule Fresenius, Idstein SS 200 Versuch 0 ärmetransport durch ärmeleitung und Konvektion in einem Doppelrohrwärmeaustauscher Betreuer: olfgang Rüth (rueth@dechema.de, Tel: ) Michael Jusek (jusek@dechema.de, Tel: )

2 Symbolverzeichnis A [m 2 ] Fläche c [mol m -3 ] Konzentration c p [J kg - K - ] spezifische ärmekapazität d [m] Durchmesser k [ m -2 K - ] ärmedurchgangskoeffizient l [m] Länge m [kg s - ] Massenstrom n [mol s - ] Stoffmengenstrom Q [] ärmestrom T [K], [ C] Temperatur ΔT m [K] mittlere logarithmische Temperaturdifferenz V [m 3 s - ] Volumenstrom w [m s - ] Geschwindigkeit α [ m -2 K - ] ärmeübergangskoeffizient β [m s - ] Stoffübergangskoeffizient γ [m m - K - ] thermischer Ausdehnungskoeffizient Δ Differenz δ [m] Dicke η [Pa s] dynamische Viskosität λ [ m - K - ] ärmeleitfähigkeit ν [m 2 s - ] kinematische Viskosität ρ [kg m -3 ] Dichte ρ c [kg m -3 ] Massenkonzentration Dimensionslose Kennzahlen Nu [ - ] Nusselt-Zahl Re [ - ] Reynolds-Zahl Pr [ - ] Prandtl-Zahl Gr [ - ] Grashof-Zahl Indizes and λ Grenzschicht der ärmeübertragung d Diffusionsgrenzschicht a, b Seite a und Seite b des ärmeübertragers äqu Äquivalenz

3 Einleitung Es werden grundsätzlich drei Arten des ärmetransportes unterschieden:. ärmetransport durch Leitung in festen oder in unbewegten flüssigen und unbewegten gasförmigen Stoffen, d. h. lediglich durch thermische Molekularbewegung. 2. ärmetransport durch freie oder erzwungene Konvektion (Mitführung) durch bewegte flüssige oder gasförmige Stoffe. 3. ärmetransport durch Strahlung, der sich ohne Mitwirkung von Materie vollzieht. In der Heiz- und Kühltechnik sind prinzipiell alle drei Arten des ärmetransportes zu berücksichtigen. Bei "direkter" Beheizung, also unmittelbarer Energiezufuhr, ist die Strahlung mit einem großen Anteil an der ärmeübertragung beteiligt. Bei der "indirekten" Beheizung und Kühlung durch stoffliche ärmeträger, die im Bereich von tieferen Temperaturen bis etwa 300 C maßgebend ist, wird die ärme überwiegend durch Leitung und Konvektion übertragen. Bei Isolationsproblemen kann aber der Strahlungsverlust auch bei tiefen Temperaturen entscheidend ins Gewicht fallen. Beim Doppelrohrwärmeaustauscher kann man die ärmeübertragung durch Strahlung unter den gewählten Versuchsbedingungen vernachlässigen. Die ärme wird damit vor allem durch Leitung und Konvektion übertragen. Grundlagen Strömen zwei Flüssigkeiten verschiedener Temperatur entlang einer and (Abb..), so wird ärme von der heißeren Flüssigkeit auf die kältere durch die and übertragen. Einen derartigen Vorgang bezeichnet man als ärmedurchgang. Der ärmedurchgang wird in drei Abschnitte unterteilt:. ärmeübergang von der heißeren Flüssigkeit auf die and.. ärmeleitung durch die and. 3. ärmeübergang von der and auf die kältere Flüssigkeit. ärmeleitung erden die beiden Oberflächen A einer ebenen and (Abb..), deren Dicke betragen möge, auf verschiedener Temperatur T bzw. T' gehalten, so ist die ärmemenge, die in der Zeiteinheit durch die Fläche A strömt, nach dem Fourierschen Gesetz: Q A ( T ' T ). () Die Konstante wird als ärmeleitfähigkeit bezeichnet und ist - im Gegensatz zu dem 2

4 im folgenden Abschnitt definierten ärmeübergangskoeffizienten - eine Stoffkonstante. Die Größe Q wird ärmestrom genannt. λ' λ λ T' T' T T δ δ' λ δ λ Abb.. ärmedurchgang durch eine ebene and mit turbulenter Flüssigkeitsströmung. Die durchgezogene Linie T nach T' gibt den wahren Temperaturverlauf an und die gestrichelte Linie den nach Gl. berechneten. ärmeübergang Der ärmeübergang zwischen einer and und einer Flüssigkeit ist ein komplizierter Vorgang, der von den verschiedensten Einflußgrößen, vor allem aber von dem Strömungszustand der Flüssigkeit, abhängt. Um eine formal einfache Beziehung zu erhalten wird angenommen, dass zwischen der Temperatur der andoberfläche T' w und der mittleren Temperatur der Flüssigkeit T' ein Temperatursprung besteht, was nur bei turbulenter Strömung in guter Näherung zutrifft. Der ärmestrom Q ' pro Flächeneinheit wird dieser Temperaturdifferenz proportional gesetzt, wobei man für ärmeübergang von der Flüssigkeit auf die and Q A T ' T ' ). (2) ( erhält. Der Proportionalitätsfaktor α wird ärmeübergangskoeffizient genannt. Entsprechend gilt für den ärmeübergang von der and auf die zweite Flüssigkeit Q A( T T ). (3) 3

5 ärmedurchgang erden aus Gl. (), (2) und (3), T w und T w eliminiert, so erhalten wir für den stationären Zustand (Q = Q = Q ) die Beziehung Q A ( T ' T ) A k ( T ' T ), (4) d. h. den ärmestrom, der durch die Fläche A von einer Flüssigkeit mit der Temperatur T' auf eine zweite Flüssigkeit der Temperatur T übergeht. Die Konstante der Gleichung (4) k (5) bezeichnet man als ärmedurchgangskoeffizient. Seine Dimension ist gleich der des ärmeübergangskoeffizienten. Anwendung der Ähnlichkeitstheorie auf den ärmeübergang Etwas vereinfacht kann man sich den ärmeübergang von einer and auf eine strömende Flüssigkeit etwa folgendermaßen vorstellen: Die ärmeübertragung kommt durch Leitung und vor allem durch Konvektion zustande. Der Anteil der Konvektion hängt vom Strömungszustand der Flüssigkeit ab, der laminar oder turbulent sein kann. Bei laminarer Strömung kann man sich die Strömung aus Schichten bzw. Stromröhren aufgebaut denken. Die ärme wird lediglich durch Leitung quer zur Strömungsrichtung von der and auf die Flüssigkeit übertragen. Von einer Konvektion kann man nur insofern sprechen, als die durch Leitung von der and an die Flüssigkeit übertragene ärme durch die strömende Flüssigkeit so weit abgeführt werden muß, daß das gewählte Temperaturgefälle aufrechterhalten wird. Bei turbulenter Strömung bildet sich an der and ein laminar strömender (hydrodynamischer) Grenzfilm aus, während weiter außen in der Flüssigkeit starke Mischbewegungen auftreten. Der ärmetransport durch die Grenzschicht erfolgt durch ärmeleitung. Der weitere Transport in das Innere der Flüssigkeit erfolgt durch die infolge der Turbulenz auftretenden Mischbewegungen. Da die Mischbewegungen sehr intensiv Diese Beziehung bzw. (5) gilt nur für ebene ände. Bei einem Doppelrohrwärmeaustauscher wäre strenggenommen noch die Krümmung der ände zu berücksichtigen, wodurch A' A wird 4

6 sind, wird innerhalb des turbulenten Kerns annähernd konstante Temperatur herrschen, während in der Grenzschicht ein Temperaturabfall auftritt. Folglich wird der ärmeübergang von der and auf die Flüssigkeit vor allem von der Dicke und ärmeleitfähigkeit des laminaren Grenzfilms abhängen. Gehen wir einen Schritt weiter und rechnen so, als ob der gesamte iderstand gegen den ärmeübergang in der laminaren Grenzschicht liegt, so erhalten wir und durch Vergleich von Gl. (6) und (3) Q A ( T T ) (6) (7) Die Dicke der mittels Gl. (7) berechneten Grenzschicht ist im Prinzip nicht - also keinesfalls zwangsläufig - gleich der Dicke der hydrodynamischen Grenzschicht oder der sog. Diffusionsgrenzschicht d (vgl. Aufg. 2), da Gl. (7) unter der Voraussetzung abgeleitet wurde, daß der gesamte iderstand gegen die ärmeübertragung allein in der Grenzschicht liegen soll und damit die unbekannten Akkommodationskoeffizienten and - Grenzschicht, Grenzschicht - Flüssigkeit der den Impuls übertragenden Moleküle durch die" Dicke der Grenzschicht" mit erfaßt werden. Um die Ähnlichkeitslehre auf den ärmeübergang anwenden zu können, stellen wir zunächst eine allgemeine Funktion sämtlicher physikalischer Größen auf, von denen wir glauben, daß sie den Vorgang beeinflussen: Nach den obigen Ausführungen wird der ärmeübergangskoeffizient bei turbulenter Strömung vor allem von der ärmeleitfähigkeit des Mediums und von seiner Viskosität, die die Dicke der Grenzschicht beeinflußt, bestimmt. Da ferner erzwungene Konvektion eine Rolle spielt, wird auch von der Dichte, der spezifischen ärmekapazität c p und von der mittleren Geschwindigkeit w der Flüssigkeit abhängen. wird ferner, wenn es sich um einen Doppelrohrwärmeaustauscher handelt, eine Funktion des Rohrdurchmessers oder einer entsprechenden Abmessung d und in geringem Maße auch eine Funktion der Länge l des Austauschers sein. ir erhalten somit die allgemeine Funktion =F(d,,,,w,c p,l). Auf Grund der Ähnlichkeitstheorie läßt sich diese Funktion in Form von Produkten mit der Dimension darstellen: d wd cp l F,,, 0 (8) d Die ersten drei Kenngrößen sind unter dem Namen 5

7 Nusselt-Zahl Reynolds-Zahl d Nu, wd wd Re bzw. und cp cp Prandtl-Zahl Pr bzw. mit = kinematische Viskosität [m 2 s - ] bekannt. Über die die Kenngrößen verbindenden Funktionen kann die Ähnlichkeitstheorie keine Aussage machen. Experimentelle Untersuchungen an Doppelrohrwärmeaustauschern zeigten, daß sich die Meßwerte durch die Hausen-Beziehung 2 3 d Nu 0,6 (Re 25) Pr (9) l im Bereich 2300 < Re < 0 4 wiedergeben lassen. Für Re > 0 4 und Re < 2300 gelten die Beziehungen mit C, m, n und p als empirische Konstanten. p m n l Nu C Re Pr. (0) d Die Gültigkeit dieser Beziehung (0) ist nicht auf Doppelrohrwärmeaustauscher beschränkt, sondern kann auch auf andere ärmeübergangsprobleme angewendet werden. Die Exponenten und die Konstanten sind jeweils experimentell zu bestimmen oder einer Tabelle zu entnehmen. Bei laminarer Strömung von Flüssigkeiten in Rohren gilt beispielsweise: C m n p Heizung 5,0 0,23 0,23-0,5 Kühlung,5 0,23 0,23-0,5 für Re < 2300, Pr = 2,5 bis 4000 und d/l = 00 bis 400. Um den ärmeübergang bei freier Strömung in Gasen oder Flüssigkeiten zu beschreiben, wird häufig die Beziehung 6

8 Nu C Pr n Gr n () 3 d g verwendet. Gr ist die Grashof-Zahl Gr 2 mit = thermischer Ausdehnungskoeffizient, welcher die die freie Konvektion berücksichtigt. Mittlere Temperaturdifferenz im ärmeaustauscher Die ärmedurchgangskoeffizienten sind für die Berechnung von ärmeaustauschern wesentlich, da bei Kenntnis von k mittels Gl. (4) die Austauschfläche A für einen gegebenen ärmestrom berechnet werden kann. Bei Anwendung der Gl. (4) auf Doppelrohrwärmeaustauscher ist jedoch zu beachten, daß sich die Temperaturen der durchströmenden Flüssigkeiten in der Längsrichtung des ärmeaustauschers ändern; infolgedessen wird die in Gl. (4) eingehende Temperaturdifferenz ebenfalls für jeden Querschnitt des Austauschers verschieden sein. Behält man die Form von Gl. (4) bei, sind entsprechende Mittelwerte für T und T' bzw. für deren Differenz einzusetzen. Sei T m. der entsprechende Mittelwert der Temperaturdifferenz, so erhalten wir für den ärmestrom Q A k. (2) T m, die sog. mittlere logarithmische Temperaturdifferenz, ergibt sich zu T m Ta Tb Tm. (3) Ta ln T b Es bedeuten T a die Temperaturdifferenz zwischen den Flüssigkeiten an einem Ende des Kühlers und T b die entsprechende Differenz am anderen Ende. Für Berechnungen ist für T a die größere und T b die kleinere Temperaturdifferenz in Gl. (3) einzusetzen. Bei der Ermittlung der logarithmischen Temperaturdifferenz T m ist es gleichgültig, ob der Kühler im Gleichstrom oder im Gegenstrom gefahren wird. Stofftransport Neben dem ärmetransport sei auf den Stofftransport kurz eingegangen, da beide Prozesse in vielfacher Hinsicht ähnlich sind, was ihre theoretische wie experimentelle Behandlung wesentlich erleichtert. 7

9 ir unterscheiden:. Stofftransport in festen oder unbewegten flüssigen und unbewegten gasförmigen Phasen, der durch molekulare Diffusion zustande kommt und das Analogon zur ärmeleitung darstellt. Der Vorgang kann entweder durch das. bzw. 2. Ficksche Gesetz oder aber, wenn die Rückdiffusion zu berücksichtigen ist, durch das Stefansche Diffusionsgesetz beschrieben werden. 2. Stofftransport durch freie oder erzwungene Konvektion durch bewegte flüssige oder gasförmige Stoffe, der das Analogon zum konvektiven ärmetransport ist. Ein dem ärmetransport durch Strahlung analoger Vorgang existiert nicht. Der Stofftransport von einer Phasengrenzfläche in das Innere der fluiden Phase oder umgekehrt wird analog zum ärmeübergang Stoffübergang genannt. Ein Beispiel ist der Stoffübergang von einer Salzoberfläche in asser beim Lösen von Salzen. Der Stoffübergang ist ebenso wie der ärmeübergang ein sehr komplizierter Vorgang, der von den verschiedensten Größen, vor allem vom Strömungszustand der Flüssigkeit abhängt. Man kann analog zum ärmeübergangskoeffizienten einen Stoffübergangskoeffizienten ß mittels der Beziehung m A ) bzw. n A( c ) (4) ( c, c,2 c2 mit m = Massenstrom [kg s - ], A = Fläche [m 2 ], ( c, - c,2 ) = treibende Massenkonzentrationsdifferenz und (c - c 2 ) = treibende Stoffmengenkonzentrationsdifferenz. eitere Überlegungen s. Aufg. 2 und 9 bzw. Aufg. 35. Der Stofftransport von einer fluiden Phase durch eine Phasengrenzfläche in eine zweite fluide Phase wird als Stoffdurchgang bezeichnet. Der Stoffdurchgang spielt bei den Grundoperationen Rektifikation, Extraktion, Absorption und im begasten Rührkessel eine Rolle. Der Stoffdurchgang von einer fluiden Phase in eine zweite fluide Phase ist wesentlich komplizierter als der ärmedurchgang beim ärmeaustauscher, da keine feste Phasengrenze vorhanden ist. eitere Überlegungen s. Aufg. 35. eiterführende Literatur Patat/Kirchner, Praktikum der Technischen Chemie, 4. Auflage, Verlag. de Gruyter, Berlin-New York 986, S

10 Versuchsdurchführung Aufgabenstellung. Vergleich des ärmedurchgangs in einem Doppelrohrwärmeaustauscher bei Gegenstrom. 2. Berechnung und experimentelle Bestimmung der ärmedurchgangskoeffizienten bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten. 3. Experimentelle Bestimmung des ärmestroms Q [] mit Hilfe eines Meßumformers und anschließender Vergleich mit den berechneten erten. Der Durchfluß V, die Temperaturen T warm und T kalt und die Temperaturdifferenz T werden ebenfalls am ärmezähler abgelesen. Apparatebeschreibung Als ärmeaustauscher dient ein Doppelrohrwärmeaustauscher aus Messing mit folgenden Abmessungen: Länge: 2000 mm, Innendurchmesser des äußeren Rohres: 0 mm, Außendurchmesser des inneren Rohres: 8 mm, Innendurchmesser des inneren Rohres: 6 mm. armes asser konstanter Temperatur wird aus einem Thermostaten mittels seiner Umlaufpumpe durch das Innenrohr des ärmeaustauschers und anschließend zurück in den Thermostaten gepumpt. Durch den Ringraum wird in gleicher eise kaltes asser von einem zweiten Thermostaten gepumpt. Heiß- und Kaltwasserdurchsatz können mit Hilfe von Strömungsmessern gemessen und konstant gehalten werden. In die 4 Zu- bzw. Abflußleitungen des Kühlers sind Thermometer eingebaut. Ausführung der Messungen asser von 40 C wird aus dem Thermostaten durch das Innenrohr des Austauschers gepumpt, während durch den Mantelraum im Gegenstrom Kaltwasser (23 C) geschickt wird. Der Durchsatz des Kühlwassers wird auf etwa 70 l/h eingestellt und während aller Messungen konstant gehalten. Der Durchsatz des Heißwassers wird auf etwa 65 l/h eingeregelt, was dem Maximalwert entspricht. Die jeweiligen Ein- und Austrittstemperaturen des arm- und Kaltwassers werden an den Thermometern nach Einstellung des Beharrungszustandes abgelesen (ca. 0 min). Eine weitere Messung wird bei einem Durchsatz des Heißwassers von etwa 45 l/h durchgeführt. 9

11 Auswertung der Messungen Aus den abgelesenen T-erten ist zu berechnen:. T m nach Gleichung (3) (Diese Berechnung wird durch eine Tabelle im ärmeatlas erleichtert). 2. Aus Temperaturabfall bzw.anstieg, Durchsatz und spezifischer ärmekapazität c p = 4,8 0³ J kg - K - wird für alle Versuche der übertragene ärmestrom Q berechnet. Q = V c p (T - T 2 ). Durch Vergleich von Q arm und Q Kalt kann man auf Verluste schließen. 3. k- erte nach Gleichung (2). (Zur Berechnung von A für das Rohr ist ein mittlerer Durchmesser von 7 mm einzusetzen). 4. Für den Versuch mit der höchsten Durchflußmenge ist weiter zu berechnen: a. i -ert nach Gl. (9) (Heißwasser-and) b. a -ert nach Gl.(9) (and-kühlwasser) ( bei der Berechnung von d h ist der benetzte Umfang einzusetzen, d.h. nicht nur der Innenumfang des Außenrohres). c. mit i und a sowie dem -ert für das Rohrmaterial kann nun nach Gl. (5) der k-ert berechnet werden. Messing = 99,3 /(m K) Diese Berechnung wird zweckmäßig mit dem ärmeatlas durchgeführt. Die Größe d äqu wird im ärmeatlas als d h bezeichnet. Auf Bezugstemperaturen achten. Prüfen, ob die Strömung laminar oder turbulent ist, dann auf die Verwendung des richtigen Nomogramms achten. 5. Vergleich des unter 3, erhaltenen k-ertes mit dem theoretischen. Bitte geben Sie bei allen Gleichungen zu den Zahlenwerten auch die Dimension an, da erfahrungsgemäß häufig Fehler durch Verwendung verschiedener Einheiten entstehen. Zur Berechnung der Nu-Zahl wird die Beziehung von Hausen Gl.(9) verwendet. Im ärmeatlas (99) wird zur Berechnung der Nu-Zahl eine Beziehung von Gnielinski mit den entsprechenden Nomogrammen verwendet. Zur Anwendung kommen folgende Nomogramme: Db, Gb2 oder Gb7, Gc3. 0