erdampfung Labor für Thermische erfahrenstechnik bearbeitet von Prof. r.-ing. habil. R. Geike. Grundlagen der erdampfung In der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie sowie in weiteren ereichen der Wirtschaft werden häufig Eindampfapparate eingesetzt, um (meist) wässrige Lösungen einzudampfen. Allgemein wird in einem erdampfer die Rohlösung zunächst auf iedetemperatur erwärmt. ei weiterer Wärmezufuhr setzt die erdampfung ein. er entstehende ampf wird rüden genannt und anschließend kondensiert. In der Industrie wird als Heizmittel oft Wasserdampf verwendet. ei der Kondensation von Wasserdampf wird die Kondensationswärme frei. iese wird an die zu verdampfende Lösung übertragen, wenn zwischen dem Heizdampf und der Flüssigkeit ein ausreichendes Temperaturgefälle besteht. Für das iedeverhalten der Lösung ist der Wärmeübergang bei der erdampfung eine entscheidende Größe. ieser lässt sich durch den Wärmeübergangskoeffizienten α und das Temperaturgefälle beschreiben. ei den erdampferapparaten wird die erdampfung in waagerechten oder senkrechten erdampferrohren realisiert. chematisch läßt sich dies im folgenden ild (Abb. ) darstellen. konvektive Wärmeübertragung an strömenden ampf Abb. : iedeverhalten im beheizten vertikalen Rohr (hier aber liegend gezeichnet) ie nicht vorgewärmte frische Lösung wird am unteren Ende des senkrechten erdampferrohres eingeführt. Zunächst wird die Flüssigkeit an der Rohrwand auf iedetemperatur erwärmt (konvektive Wärmeübertragung). Hierbei bildet sich ein ereich des partiellen iedens. An der Wand entstehen dabei erste ampfblasen. ie Flüssigkeit im Kern besitzt noch nicht iedetemperatur. urch Kondensation der ampfblasen in der kälteren Flüssigkeit kommt es sowohl zu einer urchmischung, als auch zu einer Erwärmung der Flüssigkeit. esitzt die Flüssigkeit über den gesamten Querschnitt iedetemperatur, bildet sich das voll entwickelte lasensieden aus. er ampfgehalt nimmt stetig zu. ies ist der technisch wichtigste ereich. Unter Umständen schließt sich bei vollständiger erdampfung noch ein ereich der Wärmeübertragung an die ampfphase (Überhitzer) an. er erdampfer in der ersuchsanlage wird im Naturumlauf betrieben. euth H für Technik erlin, Labor Thermische T, erdampfung, Nov. 204 eite
2. ersuchsbeschreibung Ziel der Untersuchungen und erechnungen ist es, für die in Abb. 2 gezeigte ersuchsanlage den Wärmedurchgangskoeffizienten k zu bestimmen. Für den ersuch wird ein mit Heizdampf beheiztes, senkrecht positioniertes oppelrohr als erdampfer (Wärmeübertrager) verwendet. Im Innenrohr wird destilliertes Wasser verdampft, im Außenrohr kondensiert der Heizdampf. as erdampferrohr, durch das die Wärme übertragen wird, hat die Maße 33,7 mm x,60 mm x 970mm (d a x s x h). ie Wärmeleitfähigkeit des tahles beträgt 40 W/mK. Abb. 2: chema der ersuchsanlage Für die Untersuchungen ist der Heizdampfdruck in vorgegebenen tufen zu variieren. er olumenstrom der Rohlösung ist am Rotameter so zu wählen, dass sich ein konstanter Flüssigkeitsfüllstand im erdampferumlaufrohr einstellt. Nachdem sich ein stationärer Zustand im erdampfer eingestellt hat, sind der Heizdampfdruck sowie die ampfeintritts- und Kondensataustrittstemperaturen des Heizdampfes zu messen (Messstellen T und T2). Weiterhin sind die Temperaturen des rüden (T3), des Kühlwasserstromes am rüdenkondensator (T4, T5) und die Oberflächentemperatur des erdampfers (T6, T7) zu messen. Außerdem sind die Temperaturen der Flüssigkeit im orratsbehälter (T8) sowie Rücklauftemperatur (T9) und Mischrohrtemperatur (T0) zu messen. euth H für Technik erlin, Labor Thermische T, erdampfung, Nov. 204 eite 2
ie aufgefangenen Mengen rüdenkondensat und Heizdampfkondensat sind zu wiegen. er Kühlwasservolumenstrom am rüdenkondensator ist an der Wasseruhr abzulesen. 3. erechnungsgrundlagen Auswertung der experimentellen aten Aus einer Energiebilanz um den erdampfer (Abb. 3) lassen sich die vom Heizdampf abgegebene und die von der verdampfenden Flüssigkeit aufgenommene Wärmemenge bestimmen. abei wird vorausgesetzt, dass der Heizdampf als attdampf in den erdampfer eintritt und diesen als Kondensat mit iedetemperatur verlässt, so dass die Enthalpiedifferenz Eingang/Ausgang gleich der Kondensationsenthalpie h ist. iese kann der ampftafel entnommen werden. Ferner sollte im stationären Zustand der Zulauf m& R gleich dem Mengenstrom an rüdendampf m& sein. Ist dies bei Ihren Messungen so? ei ernachlässigung von Wärmeverlusten sollten abgegebener und aufgenommener Wärmestrom gleich sein. m& m& H m& R m& K Abb. 3: Allgemeine Energiebilanz des erdampfers Wärmeabgabe Heizdampf Wärmeaufnahme rüden Q& = m& h () H H Q& = m& h" m& h (2) ie ifferenz der beiden Wärmeströme ist der Wärmeverlust im ereich des erdampfers. ieser muss - mit egründung - zugeordnet und auf die beiden eiten - Heizdampfseite und rüdenseite - aufgeteilt werden. ies ist die oraussetzung für die Festlegung des im erdampfer vom Heizdampf an Rohlösung und rüden übertragenen Wärmestromes Q &. ei der erdampfung stellt sich ein Temperaturgefälle nach Abb. 4 ein. R R T H Heizdampf T W zu verdampfende Lösung T W2 Kondensat T Abb. 4: chematische arstellung des Temperaturverlaufes im erdampferrohr euth H für Technik erlin, Labor Thermische T, erdampfung, Nov. 204 eite 3
Aus der estimmungsgleichung für Wärmeübertrager wird der Wärmedurchgangskoeffizient k bestimmt. abei ist T H die Heizdampftemperatur und T die iedetemperatur der Lösung. Q & = k A (T T ) (3) H abei muss beachtet werden, dass der k-wert auf die Fläche bezogen ist. Je nach ausgewählter ezugsfläche - Innenfläche, Außenfläche, mittlere Fläche - ergibt sich ein anderer, spezifischer k- Wert. Für diese Auswertung wird angenommen, dass auf der erdampfungsseite eine konstante Temperatur (T ) herrscht. Ist dies tatsächlich so? Q k = A (T T ) (4) H Theoretische erechnung des k-wertes er k Wert selbst ist für den Wärmedurchgang durch eine einschichtige Wand unter erücksichtigung der unterschiedlichen Flächen folgendermaßen definiert: = k A α A + s λ A m + α K A K Für die erechnung des (theoretischen) k-wertes werden zunächst die beiden Wärmeübergangskoeffizienten benötigt. er Wärmeübergangskoeffizient Rohr nach Nusselt berechnen. α K lässt sich bei Filmkondensation für ein senkrecht stehendes 0,25 3 2 4 λ ρ g h α K = 3 4 η (TH TW ) H (6) ei der Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten α K nach Gl. 6 wird berücksichtigt, dass sich aus dem Wärmeübergangskoeffizienten α K und der Temperaturdifferenz der übertragene Wärmestrom berechnen lässt (Gl. 7). ie Wandtemperatur T W muss durch Iteration oder durch eine geeignete Umstellung der Gleichungen ermittelt werden. & = α A (T T ) (7) Q K K H W er Wärmeübergangskoeffizient α auf der erdampfungsseite kann mit zwei empirischen Formeln nach Fritz berechnet werden. Fritz entwickelte für den Wärmeübergang beim lasensieden (ehältersieden) unter Atmosphärendruck folgende auf experimentellen aten beruhende Gleichungen: bzw. 0,25 W 0,75 α =,54 q& 0,5, m K mit Q& (5) q&, = (8) A W 3 α = 5,58 (T 2 4 W2 T ) (9) m K abei sind α in W/m²K und q&, in W/m² einzusetzen. ie benötigte Temperatur T W2 ergibt sich beispielsweise durch Kopplung von Gl. 9 und 0. Q & = α A (T T ) (0) W2 euth H für Technik erlin, Labor Thermische T, erdampfung, Nov. 204 eite 4
4. ersuchsauswertung Zur Auswertung des ersuches gehören die folgenden Teilaufgaben:. Prüfen ie die Übereinstimmung der gemessenen Heizdampfdaten mit Tabellendaten - handelt es sich um attdampf, hat das Kondensat iedetemperatur? 2. Ermitteln ie die Wärmeströme, die der Heizdampf abgibt, die verdampfende Flüssigkeit aufnimmt und die an das Kühlwasser übertragen werden. Wie gut passen diese Werte zusammen, diskutieren ie die erhaltenen Werte! Tragen ie bitte dazu alle drei Werte nebeneinander in einer Tabelle ein! Und erstellen ie ein iagramm, in dem die drei Wärmeströme über dem Heizdampfdruck oder über der Temperaturdifferenz Heizdampf / rüden aufgetragen sind! 3. erechnen ie den Wärmestrom, der im erdampfer vom Heizdampf an die verdampfende Flüssigkeit übertragen wird. Welche Genauigkeit hat dieser Wert? 4. Ermitteln ie den k Wert nach Gl. 4 für die Wärmeübertragung an die verdampfende Flüssigkeit und tragen ie ihn in Abhängigkeit von der mittleren Temperaturdifferenz grafisch auf! 5. Ermitteln ie den (theoretischen) Wärmeübergangskoeffizient α K nach Gl. 6 mit der dazugehörigen Wandtemperatur T W! 6. Ermitteln ie die (theoretischen) Wärmeübergangskoeffizienten nach Gl. 8 und 9 mit der dazugehörigen Wandtemperatur T W2! 7. Ermitteln ie den theoretischen Wärmedurchgangskoeffizienten k aus den beiden berechneten Wärmeübergangskoeffizienten (Gl. 5)! 8. chätzen ie den Wärmeverlust des erdampfers unter erwendung der gemessenen Oberflächentemperaturen T 6 und T 7 für freie Konvektion, nutzen ie dafür eine Abschätzung des Wärmeübergangskoeffizienten! Alle Zwischen- und Endergebnisse sind in Tabellen darzustellen. ie experimentellen Ergebnisse und die theoretisch berechneten Werte des Wärmedurchgangskoeffizienten sind in einem iagramm darzustellen. iskutieren ie das Ergebnis! ie erhaltenen Wandtemperaturen sind zu bewerten. arzustellen ist auch das Temperaturprofil über die Länge des Wärmetauschers für eine Messreihe. azu ist überschläglich zu ermitteln, wieviel Prozent der übertragenen Wärmemenge zum Aufheizen bzw. zum erdampfen benötigt werden. Indizes rüden R Rohlösung H Heizdampf erdampfungsseite K Heizdampfkondensat / Kondensatseite Wärmedurchgang euth H für Technik erlin, Labor Thermische T, erdampfung, Nov. 204 eite 5