Untersuchung des Einflusses statischer Mischer auf den Wärmeübergang und den Druckverlust in Rohrbündelwärmeaustauschern
- Art: Diplomarbeit
- Autor: Ingo Dziedzek
- Abgabedatum: Dezember 1996
- Umfang: 176 Seiten
- Dateigröße: 4,4 MB
- Note: 1,3
- Institution / Hochschule: Beuth Hochschule für Technik Berlin Deutschland
- ISBN (eBook): 978-3-8324-6434-9
-
ISBN (Paperback) :
978-3-8324-6434-9 P - ISBN (CD) :978-3-8324-6434-9 CD
- Sprache: Deutsch
- Prämierung:
- Arbeit zitieren: Dziedzek, Ingo Dezember 1996: Untersuchung des Einflusses statischer Mischer auf den Wärmeübergang und den Druckverlust in Rohrbündelwärmeaustauschern, Hamburg: Diplomica Verlag
- Schlagworte: Rohrströmung, Widerstandsbeiwert, Konvektion, Strömungsgeschwindigkeit, Verbrennungsrechnung
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Diplomarbeit von Ingo Dziedzek
Einleitung:
Die vorliegende Diplomarbeit befaßt sich im Rahmen des gestellten Themas mit dem Einfluß statischer Mischer auf den Wärmeübergang und Druckverlust in Rohrbündelwärmeaustauschern.
Bei dem hier verwendeten Rohrbündelwärmeaustauscher handelt es sich um einen Heizkessel aus der Baureihe Paromat-Simplex der Firma VIESSMANN mit einer Nenn-Wärmeleistung von 170 kW. Dieser Heizkessel hat drei Heizgaszüge, in denen die bei der Verbrennung entstehenden Abgase entlangströmen und dabei Wärme an das Wasser abgeben. Diese Wärmeübertragung wird hauptsächlich durch den abgasseitigen Wärmewiderstand begrenzt. Aus diesem Grund sind im dritten Heizgaszug, bestehend aus zwanzig Rohren, zur Reduzierung des abgasseitigen Wärmewiderstandes und damit zur Verbesserung der Wärmeübertragung, statische Mischer angeordnet. Diese Mischer befinden sich im hinteren Bereich dieser zwanzig Rohre, um die thermische Belastung des Mischermateriales möglichst gering zu halten und haben die Aufgabe im Abgasstrom Verwirbelungen und Turbulenzen zu erzeugen.
Die Aufgabe dieser Diplomarbeit besteht darin, verschiedene neue Mischerformen zu erproben, diese mit dem bisher verwendeten Standardmischer zu vergleichen und aus den gewonnenen Erkenntnissen eine neue Mischerform zu entwickeln, die speziell die für den Heizkessel PS017 geltenden Grenzwerte einhält. Dabei handelt es sich um die nach DIN 4702 T2 gemessene Abgastemperatur und den abgasseitigen Widerstand des Heizkessels (Druckverlust über den gesamten Heizkessel) .
Dazu wurden bei der Firma VIESSMANN mit den verschiedenen statischen Mischern umfangreiche Versuche durchgeführt und die Ergebnisse rechnerisch ausgewertet.
Diese neue Mischerform soll nach Möglichkeit eine kürzere Baulänge als der Standardmischer aufweisen und einfach zu fertigen sein. Durch eine kürzere Baulänge könnte die thermische Belastung des Mischermaterials, speziell in der besonders hoch beanspruchten Zone am Mischeranfang, gesenkt werden. Dadurch könnte ein billigerer Stahl verwendet werden.
Gang der Untersuchung:
Die gesamte Diplomarbeit ist in sechs Abschnitte gegliedert.
Im Abschnitt 2 werden theoretische Grundlagen über statische Mischer dargestellt und die notwendigen Berechnungsgrundlagen für die rechnerische Auswertung aufgezeigt.
Alle untersuchten statischen Mischer werden im Abschnitt 3 eingehend beschrieben. Abschnitt 4 beinhaltet den Aufbau der Versuchsanlage, bestehend aus den beiden Versuchsständen Glasrohr und Heizkessel PS017. Der Abschnitt 5 - Versuchsauswertung - stellt den Hauptteil dar. Hier werden alle aufgenommenen Meßwerte rechnerisch ausgewertet und die statischen Mischer miteinander verglichen.
Die Diskussion der erzielten Ergebnisse findet im Abschnitt 6 statt. Hier wird aufgezeigt, zu welchen Ergebnissen die Versuche an den verschiedenen Mischern geführt haben. Im abschließenden Abschnitt 7 werden die erzielten Ergebnisse der Versuche zusammengefaßt.
Inhaltsverzeichnis:
| Abbildungsverzeichnis | VII | |
| Tabellenverzeichnis | IX | |
| Symbolverzeichnis | X | |
| 1. | Einleitung | 1 |
| 2. | Theoretische Grundlagen | 2 |
| 2.1 | Mischen | 2 |
| 2.1.1 | Statisches Mischen | 3 |
| 2.2 | Rohrströmung | 6 |
| 2.2.1 | Laminare Rohrströmung | 6 |
| 2.2.2 | Turbulente Rohrströmung | 8 |
| 2.3 | Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit | 10 |
| 2.4 | Wärmeübergang | 11 |
| 2.4.1 | Wärmeleitung | 11 |
| 2.4.2 | Konvektiver Wärmeübergang | 12 |
| 2.4.3 | Wärmestrahlung | 15 |
| 2.4.4 | Wärmedurchgang | 15 |
| 2.4.5 | Mittlere Temperaturdifferenz | 17 |
| 2.4.6 | Wärmeübergang bei laminarer Rohrströmung | 18 |
| 2.4.6.1 | Gleichzeitiger thermischer und hydrodynamischer Anlauf bei laminarer Rohrströmung | 18 |
| 2.4.7 | Wärmeübergang bei turbulenter Strömung | 19 |
| 2.4.8 | Einfluß der Stoffwerte | 20 |
| 2.5 | Bewertung der statischen Mischer | 21 |
| 3. | Darstellung der untersuchten statischen Mischer | 22 |
| 3.1 | Standardmischer | 22 |
| 3.2 | Kenics-Mischer | 23 |
| 3.3 | Mischer 1 | 24 |
| 3.4 | Mischer 2 | 24 |
| 3.5 | Mischer 3 | 24 |
| 3.6 | Mischer 4 | 25 |
| 3.7 | Mischer 5 | 25 |
| 3.8 | Mischer 6 | 26 |
| 3.9 | Mischer 7 | 26 |
| 3.10 | Mischer 6A | 27 |
| 3.11 | Mischer 7A | 27 |
| 4. | Aufbau der Versuchsanlage | 28 |
| 4.1 | Versuchsstand Glasrohr | 28 |
| 4.1.1 | Versuchsdurchführung am Glasrohr | 29 |
| 4.2 | Versuchsstand Heizkessel PS017 | 30 |
| 4.2.1 | Versuchsdurchführung am Heizkessel | 31 |
| 4.2.2 | Vorversuche | 31 |
| 4.2.3 | Temperaturmessung | 32 |
| 4.2.4 | Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit durch Messung des dynamischen Druckes | 34 |
| 4.2.5 | Messung des Druckverlustes | 35 |
| 4.2.6 | Messung des Wasserdurchsatzes | 35 |
| 5. | Versuchsauswertung | 36 |
| 5.1 | Vorbemerkungen | 36 |
| 5.2 | Vorversuche | 37 |
| 5.3 | Berechnung des Wärmeüberganges | 38 |
| 5.3.1 | Verbrennungsrechnung | 39 |
| 5.3.2 | Berechnung der mittleren Stoffwerte | 40 |
| 5.3.3 | Berechnung des Abgasmassenstromes aus dem dynamischen Druck | 40 |
| 5.3.4 | Berechnung des theoretischen Abgasmassenstromes | 41 |
| 5.3.5 | Abschätzung des Wärmeübergangskoeffizienten aa auf der Wasserseite | 43 |
| 5.3.5.1 | Abschätzung des Wärmeübergangskoeffizienten aa nach [9] | 44 |
| 5.3.6 | Wärmeübergang am Leerrohr | 46 |
| 5.3.6.1 | Ermittlung des Korrekturfaktors für den turbulenten Bereich | 48 |
| 5.3.6.2 | Ermittlung des Korrekturfaktors für den laminaren Bereich | 49 |
| 5.3.7 | Berechnung des Wärmeüberganges auf der Gasseite | 50 |
| 5.3.7.1 | Abschnitt (Leerrohr) | 51 |
| 5.3.7.2 | Iteration der Temperatur am Mischeranfang | 52 |
| 5.3.7.3 | Abschnitt (statischer Mischer) | 54 |
| 5.4 | Berechnung der Widerstandsbeiwerte aus dem Druckverlust | 56 |
| 5.4.1 | Berechnung der Widerstandsbeiwerte am Heizkessel PS017 | 56 |
| 5.4.1.1 | Berechnung der Widerstandsbeiwerte des Leerrohres | 57 |
| 5.4.1.2 | Berechnung der Widerstandsbeiwerte für die statischen Mischer | 58 |
| 5.4.2 | Berechnung der Widerstandsbeiwerte am Glasrohr | 61 |
| 5.4.2.1 | Berechnung der Widerstandsbeiwerte für die statischen Mischer | 61 |
| 5.5 | Berechnung der Leistungszahlen | 65 |
| 5.5.1 | Leistungszahl für den Mischerbereich (l = lMischer) | 65 |
| 5.5.2 | Leistungszahl für den Bereich von einem Rohr (l = 1,215 m) | 68 |
| 5.5.3 | Leistungszahl für den Bereich von 20 Rohren | 69 |
| 5.6 | Berechnung der Mischerlängen bei vorgegebener Rohraustrittstemperatur | 73 |
| 5.6.1 | Abschnitt (Leerrohr) | 74 |
| 5.6.2 | Abschnitt (Bereich des Mischers) | 75 |
| 5.6.3 | Berechnung des Druckverlustes über die jeweilige Mischerlänge | 77 |
| 5.6.4 | Ergebnis | 79 |
| 6. | Diskussion | 80 |
| 6.1 | Aufnahme der Meßwerte | 80 |
| 6.2 | Vorversuch | 81 |
| 6.3 | Berechnung der Stoffwerte | 82 |
| 6.4 | Berechnung des Wärmeüberganges | 82 |
| 6.5 | Berechnung der Widerstandsbeiwerte | 84 |
| 6.6 | Berechnung der Leistungszahlen | 85 |
| 6.7 | Berechnung der Mischerlänge bei vorgegebener Rohraustrittstemperatur | 86 |
| 6.8 | Schlußbemerkung zu Diskussion | 87 |
| 7. | Schlußfolgerungen | 89 |
| 8. | Literaturverzeichnis | 91 |
| 9. | Anhang | 93 |
| 9.1 | Berechnungen | 93 |
| 9.1.1 | Berechnung der molaren Masse der Luft | 93 |
| 9.1.2 | Verbrennungsrechnung | 93 |
| 9.1.3 | Berechnung der mittleren Stoffwerte | 95 |
| 9.1.4 | Berechnung des Abgasmassenstromes aus dem dynamischen Druck | 96 |
| 9.1.5 | Berechnung des theoretischen Abgasmassenstromes | 96 |
| 9.1.6 | Abschätzung des Wärmeübergangskoeffizienten aa auf der Wasserseite nach [9] | 100 |
| 9.1.6.1 | Abschätzung des Wärmeübergangskoeffizienten | 101 |
| 9.1.7 | Wärmeübergang am Leerrohr | 103 |
| 9.1.8 | Berechnung der Wärmeübergangskoeffizienten auf der Gasseite | 106 |
| 9.1.8.1 | Abschnitt (Leerrohr) | 106 |
| 9.1.8.2 | Iteration der Temperatur am Mischeranfang | 107 |
| 9.1.8.3 | Abschnitt (statischer Mischer) | 111 |
| 9.1.9 | Berechnung der Widerstandsbeiwerte am Heizkessel PS017 | 114 |
| 9.1.9.1 | Berechnung des Widerstandsbeiwertes des Leerrohres | 114 |
| 9.1.9.2 | Berechnung der Widerstandsbeiwerte für die statischen Mischer | 116 |
| 9.1.10 | Berechnung der Widerstandsbeiwerte am Glasrohr | 119 |
| 9.1.11 | Berechnung der Leistungszahlen | 121 |
| 9.1.11.1 | Leistungszahl für den Mischerbereich | 121 |
| 9.1.11.2 | Leistungszahl für den Bereich von einem Rohr | 123 |
| 9.1.11.3 | Leistungszahl für den Bereich von 20 Rohren | 125 |
| 9.2 | Messwerte | 128 |
| 9.2.1 | Messung der Rohraustrittstemperaturen beim 1. Vorversuch | 128 |
| 9.2.2 | Messung der Temperaturen im Leerrohr bei 2. Vorversuch | 128 |
| 9.2.3 | Messung des Druckverlustes am Glasrohr | 129 |
| 9.2.4 | Messung des Wasserdurchsatzes | 129 |
| 9.3 | Zusammenstellung der wichtigsten Messwerte | 130 |
| 9.3.1 | leeres Rohr: Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 132 |
| 9.3.2 | leeres Rohr: Kesselleistung: 88 % (=150 kW) | 132 |
| 9.3.3 | leeres Rohr: Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 133 |
| 9.3.4 | Standardmischer: Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 134 |
| 9.3.5 | Standardmischer: Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 134 |
| 9.3.6 | Standardmischer: Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 135 |
| 9.3.7 | Kenics (Form A) (4x Rechts, 4x Links): Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 136 |
| 9.3.8 | Kenics (Form A) (4x Rechts, 4x Links): Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 136 |
| 9.3.9 | Kenics (Form A) (4x Rechts, 4x Links): Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 137 |
| 9.3.10 | Kenics (Form B) (8x Rechtsdrall): Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 138 |
| 9.3.11 | Kenics (Form B) (8x Rechtsdrall): Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 138 |
| 9.3.12 | Kenics (Form B) (8x Rechtsdrall): Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 139 |
| 9.3.13 | Mischer 1: Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 140 |
| 9.3.14 | Mischer 1: Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 140 |
| 9.3.15 | Mischer 1: Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 141 |
| 9.3.16 | Mischer 2: Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 142 |
| 9.3.17 | Mischer 2: Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 142 |
| 9.3.18 | Mischer 2: Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 143 |
| 9.3.19 | Mischer 3(1): Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 144 |
| 9.3.20 | Mischer 3(1): Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 144 |
| 9.3.21 | Mischer 3(1): Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 145 |
| 9.3.22 | Mischer 3(2): Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 146 |
| 9.3.23 | Mischer 3(2): Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 146 |
| 9.3.24 | Mischer 3(2): Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 147 |
| 9.3.25 | Mischer 4: Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 148 |
| 9.3.26 | Mischer 4: Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 148 |
| 9.3.27 | Mischer 4: Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 149 |
| 9.3.28 | Mischer 5: Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 150 |
| 9.3.29 | Mischer 5: Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 150 |
| 9.3.30 | Mischer 5: Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 151 |
| 9.3.31 | Mischer 6(1): Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 152 |
| 9.3.32 | Mischer 6(1): Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 152 |
| 9.3.33 | Mischer 6(1): Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 153 |
| 9.3.34 | Mischer 6(2): Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 154 |
| 9.3.35 | Mischer 6(2): Kesselleistung: 85 % (= 145 kW) | 154 |
| 9.3.36 | Mischer 6(2): Kesselleistung: 100 % (= 170 kW) | 155 |
| 9.3.37 | Mischer 7(1): Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 156 |
| 9.3.38 | Mischer 7(1): Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 156 |
| 9.3.39 | Mischer 7(1): Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 157 |
| 9.3.40 | Mischer 7(2): Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 158 |
| 9.3.41 | Mischer 7(2): Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 158 |
| 9.3.42 | Mischer 7(2): Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 159 |
| 9.3.43 | Mischer 6A(1): Länge: 550 mm, Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 160 |
| 9.3.44 | Mischer 6A(1): Länge: 550 mm, Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 160 |
| 9.3.45 | Mischer 6A(1): Länge: 550 mm, Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 161 |
| 9.3.46 | Mischer 6A(2): Länge: 550 mm: Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 162 |
| 9.3.47 | Mischer 6A(2): Länge: 550 mm, Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 162 |
| 9.3.48 | Mischer 6A(2): Länge: 550 mm, Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 163 |
| 9.3.49 | Mischer 7A(1): Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 164 |
| 9.3.50 | Mischer 7A(1): Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 164 |
| 9.3.51 | Mischer 7A(1): Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 165 |
| 9.3.52 | Mischer 7A(2): Kesselleistung: 70 % (=119 kW) | 166 |
| 9.3.53 | Mischer 7A(2): Kesselleistung: 85 % (=145 kW) | 166 |
| 9.3.54 | Mischer 7A(2): Kesselleistung: 100 % (=170 kW) | 167 |
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http://www.diplom.de/ean/9783832464349
Arbeit zitieren:
Dziedzek, Ingo Dezember 1996: Untersuchung des Einflusses statischer Mischer auf den Wärmeübergang und den Druckverlust in Rohrbündelwärmeaustauschern, Hamburg: Diplomica Verlag
Schlagworte:
Rohrströmung, Widerstandsbeiwert, Konvektion, Strömungsgeschwindigkeit, Verbrennungsrechnung
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