Verfahrenstechnik 2
FS19
FS19
1.1 Zweck Wärmeübertrager
Einsparen von Energie, durch Wiederverwendung von Wärme
1.1 Eingesetzte Werkstoffe in einem Wärmeübertrager
In der Regel Metalle (rostfreier Stahl, Messing, Aluminium) , Kunststoffe, Glas
1.1 Definition adiabat
Es wird keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht
1.1 Stoffe mit bester Leitfähigkeit λ
gemessen von 0 Grad Celsius bis 600 Grad Celsius
Diamant - 2'000 W/(m*K), Silber Ag - ca. 400 W/(m*K),Kupfer Cu - ca. 400 W/(m*K),Gold Au - ca. 300 W/(m*K),Aluminium Al - ca. 200 W/(m*K)
1.1 reflektieren R, absorbieren A, durchlassen D
Feste und flüssige Stoffe: PD = 0
Schwarzer Körper: Pin = PA (schwarze Körper absorbieren gesamte Strahlung, wie ein Schwamm)
Weisser Körper: Pin = PR (weisse Körper reflektieren gesamte Strahlung, wie ein Spiegel)
Gase: PR = 0
Elementargase: Pin = PD
R, A, D sind abhängig von Wellenlänge und Temperatur
1.1 Unterschied erzwungene/freie Konvektion (Konvektion=Strömungsbewegung)
erzwungene Konvektion: falls die Strömung durch eine Pumpe oder einen Ventilator künstlich aufgezwungen wird
freie Konvektion: falls die Strömung aufgrund von Dichteunterschieden angetrieben wird
1.1 Definition Epsilon ε
ε = Emissionsgrad (zwischen 0 und 1)
1.1 Definition Lambda λ
λ = Wärmeleitfähigkeit in W/(m*K)
λ = Wellenlänge
1.1 Wärmestrahlung muss berücksichtigt werden bei:
hohen Temperaturen (ab 500°C)
Hochvakuum
strahlenden Gasen
1.2 Doppelrohrwärmeübertrager
für hohe Drücke im Innenrohr
bei hochviskosen (zähflüssigen) Medien
verhältnismässig kleine Wärmeübergangsfläche
1.2 Rohrbündelwärmeübertrager
Ein Fluid strömt durch die Rohre, das andere Fluid wird ausserhalb der Rohre durch den Mantel geleitet
1.2 Plattenwärmeübertrager
sehr gut erweiterbar, flexibel bezüglich der Gestaltung der Strömungsführung. Durch kompakte Bauweise platzsparend. Können stark zyklischen thermischen Belastungen ausgesetzt werden.
1.2 Spiralwärmeübertrager
kann schlecht umgebaut werden, dafür wenig anfällig für Fouling (Verschmutzung, Bewuchs).
Allen Wärmeübertragern gemein ist, dass sie eine möglichst grosse Wärmeübertragungsfläche auf möglichst kleinem Apparatevolumen anstreben.
1.2 Beim Entwickeln von Wärmeübertragern müssen folgende konstruktive Besonderheiten beachtet werden
Wärmedehnung
Verbindung der Rohre mit dem Rohrboden
Verschmutzung und Reinigung
Mechanische Stabilität
1.3 Unterschied Gleichstrom/Gegenstrom
Gleichstrom: der heissere Strom bleibt immer der heissere
Gegenstrom: der heissere Strom kann am Schluss sogar der kältere sein
1.4 Berechnung der mittleren Temperaturdifferenz ΔTm
siehe Arbeitsdiagramme. Darauf ersichtlich:
P = dimensionslose Temperaturänderung
NTU = Anzahl der Übertragungseinheiten
R = Wärmekapazitätsstromverhältnis mit (W1 Punkt / W2 Punkt) = Wärmekapazitätsstrom1 / Wärmekapazitätsstrom2
ϴ = Teta = dimensionslose mittlere Temperaturdifferenz
1.5 Unterschied Wäremeübergang zu Wärmedurchgang
Wäremeübergang = der Wärmetransport findet durch eine Temperaturgrenzschicht statt.
Wärmedurchgang = der Wärmetransport findet durch zwei Temperaturgrenzschichten und zusätzlich durch evt. vorhandene feste Phasen statt.
1.10 Formelzeichen
1.3 LMTD
Wo darf logarithmische mittlere Temperaturdifferenz LMTD angewendet werden?
bei Gleichstrom, Gegenstrom, Kondensator, Verdampfer, Verdampfer-Kondensator
1.4 Arbeitsdiagramme
Wann nicht verwenden
Wenn Phasenübergänge stattfinden
1.4 Wärmekapazitätsstrom Wpunkt
Formel
Wpunkt = mpunkt * cp
Wärmekapazitätsstrom = Massenstrom * spez.Wärmekapazität
1.5 Wärmestromdichte qpunkt
qpunkt = Qpunkt / A
Wärmestromdichte = Wärmestrom / Fläche
1.5 Dimensionslose Kennzahlen
Nu = Nusselt-Zahl => man kommt damit auf alfa (Wärmeübergangskoeffizient) => abhängig von Reynolds-Zahl, Prandtl-Zahl und Geometrie
Re = Reynolds-Zahl
Pr = Prandtl-Zahl
Gr = Grashof-Zahl
Ra = Rayleigh-Zahl = Grashof-Zahl * Prandtl-Zahl
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Cartes-fiches
1.1 Zweck Wärmeübertrager
Einsparen von Energie, durch Wiederverwendung von Wärme
1.1 Eingesetzte Werkstoffe in einem Wärmeübertrager
In der Regel Metalle (rostfreier Stahl, Messing, Aluminium) , Kunststoffe, Glas
1.1 Definition adiabat
Es wird keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht
1.1 Stoffe mit bester Leitfähigkeit λ
gemessen von 0 Grad Celsius bis 600 Grad Celsius
Diamant - 2'000 W/(m*K), Silber Ag - ca. 400 W/(m*K),Kupfer Cu - ca. 400 W/(m*K),Gold Au - ca. 300 W/(m*K),Aluminium Al - ca. 200 W/(m*K)
1.1 reflektieren R, absorbieren A, durchlassen D
Feste und flüssige Stoffe: PD = 0
Schwarzer Körper: Pin = PA (schwarze Körper absorbieren gesamte Strahlung, wie ein Schwamm)
Weisser Körper: Pin = PR (weisse Körper reflektieren gesamte Strahlung, wie ein Spiegel)
Gase: PR = 0
Elementargase: Pin = PD
R, A, D sind abhängig von Wellenlänge und Temperatur
1.1 Unterschied erzwungene/freie Konvektion (Konvektion=Strömungsbewegung)
erzwungene Konvektion: falls die Strömung durch eine Pumpe oder einen Ventilator künstlich aufgezwungen wird
freie Konvektion: falls die Strömung aufgrund von Dichteunterschieden angetrieben wird
1.1 Definition Epsilon ε
ε = Emissionsgrad (zwischen 0 und 1)
1.1 Definition Lambda λ
λ = Wärmeleitfähigkeit in W/(m*K)
λ = Wellenlänge
1.1 Wärmestrahlung muss berücksichtigt werden bei:
hohen Temperaturen (ab 500°C)
Hochvakuum
strahlenden Gasen
1.2 Doppelrohrwärmeübertrager
für hohe Drücke im Innenrohr
bei hochviskosen (zähflüssigen) Medien
verhältnismässig kleine Wärmeübergangsfläche
1.2 Rohrbündelwärmeübertrager
Ein Fluid strömt durch die Rohre, das andere Fluid wird ausserhalb der Rohre durch den Mantel geleitet
1.2 Plattenwärmeübertrager
sehr gut erweiterbar, flexibel bezüglich der Gestaltung der Strömungsführung. Durch kompakte Bauweise platzsparend. Können stark zyklischen thermischen Belastungen ausgesetzt werden.
1.2 Spiralwärmeübertrager
kann schlecht umgebaut werden, dafür wenig anfällig für Fouling (Verschmutzung, Bewuchs).
Allen Wärmeübertragern gemein ist, dass sie eine möglichst grosse Wärmeübertragungsfläche auf möglichst kleinem Apparatevolumen anstreben.
1.2 Beim Entwickeln von Wärmeübertragern müssen folgende konstruktive Besonderheiten beachtet werden
Wärmedehnung
Verbindung der Rohre mit dem Rohrboden
Verschmutzung und Reinigung
Mechanische Stabilität
1.3 Unterschied Gleichstrom/Gegenstrom
Gleichstrom: der heissere Strom bleibt immer der heissere
Gegenstrom: der heissere Strom kann am Schluss sogar der kältere sein
1.4 Berechnung der mittleren Temperaturdifferenz ΔTm
siehe Arbeitsdiagramme. Darauf ersichtlich:
P = dimensionslose Temperaturänderung
NTU = Anzahl der Übertragungseinheiten
R = Wärmekapazitätsstromverhältnis mit (W1 Punkt / W2 Punkt) = Wärmekapazitätsstrom1 / Wärmekapazitätsstrom2
ϴ = Teta = dimensionslose mittlere Temperaturdifferenz
1.5 Unterschied Wäremeübergang zu Wärmedurchgang
Wäremeübergang = der Wärmetransport findet durch eine Temperaturgrenzschicht statt.
Wärmedurchgang = der Wärmetransport findet durch zwei Temperaturgrenzschichten und zusätzlich durch evt. vorhandene feste Phasen statt.
1.10 Formelzeichen
1.3 LMTD
Wo darf logarithmische mittlere Temperaturdifferenz LMTD angewendet werden?
bei Gleichstrom, Gegenstrom, Kondensator, Verdampfer, Verdampfer-Kondensator
1.4 Arbeitsdiagramme
Wann nicht verwenden
Wenn Phasenübergänge stattfinden
1.4 Wärmekapazitätsstrom Wpunkt
Formel
Wpunkt = mpunkt * cp
Wärmekapazitätsstrom = Massenstrom * spez.Wärmekapazität
1.5 Wärmestromdichte qpunkt
qpunkt = Qpunkt / A
Wärmestromdichte = Wärmestrom / Fläche
1.5 Dimensionslose Kennzahlen
Nu = Nusselt-Zahl => man kommt damit auf alfa (Wärmeübergangskoeffizient) => abhängig von Reynolds-Zahl, Prandtl-Zahl und Geometrie
Re = Reynolds-Zahl
Pr = Prandtl-Zahl
Gr = Grashof-Zahl
Ra = Rayleigh-Zahl = Grashof-Zahl * Prandtl-Zahl
