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4. Gleichgewicht Temperaturen der Medien (Wärmeübertragung) T m : Triebkraft = Abweichung vom Gleichgewicht =

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Präsentation zum Thema: "4. Gleichgewicht Temperaturen der Medien (Wärmeübertragung) T m : Triebkraft = Abweichung vom Gleichgewicht ="—  Präsentation transkript:

1 4. Gleichgewicht Temperaturen der Medien (Wärmeübertragung) T m : Triebkraft = Abweichung vom Gleichgewicht =

2 Dampf-Flüssigkeitsgleichgewicht (Destillation/Rektifikation): - Ebulliometer nach SWIETOSLAWSKI: Schema Laboranlage

3 Reiner Stoff: Beispiel Wasser Zweistoffgemisch: Siedediagramm t V =f(x', x'') THIELE/MC CABE-Diagramm, x''=f(x') allgemein Dampfdruck-Diagramm, Wasser

4 MOLLIER-Diagramm, Konvektionstrocknung Einstufiger Trockner Dreiecksdiagramm, Solventextraktion Aprimäres Lösungsmittel BÜbergangskomponente Csekundäres Lösungsmittel Theoretische Stufe FEinspeisgemisch EExtrakt RRaffinat MMischungspunkt h fL Enthalpie der feuchten Luft, J/(kg tL ) Y"absolute Luftfeuchte, kg w /kg tL 0Frischluft 1 Heißluft 2 Abluft

5 5. Projekte 5.1. Entwicklung einer Baureihe von Konvektionstrocknern für die kontinuierliche Klärschlammtrocknung (Forschungsauftrag ) - Bandtrockner: a:Nassgut b:Gutsaustritt c:Lufteintritt e: Förderbänder f:Heizung - Aufgabe: Dimensionierung von vier Baugrößen für 100 bis 500 kg/h Klärschlamm. - Vorgehensweise: -- Weiterentwicklung der theoretischen Grundlagen:

6 Ablaufplan

7 Laborversuchsstand Kleintechnischer Bandtrockner - Versuchsstände

8 - Messergebnisse: Normierte Trocknungsverlaufs- kurven. Lufttemperaturen: A:70 °C B:65 °C - Ergebnisse: Bandbreite: 1,2 m Bandgeschwindigkeit : 0,2 m/min Heißlufttemperatur: 95 °C Frischluftverbrauch: 3800 bis kg/h Wärmeleistung: 70 bis 310 kW Trocknerlänge: 11,4 bis 44,7 m

9 5.2. Optimierung von Trocknungsanlagen für die Klärschlammtrocknung (Forschungsauftrag ) Situation: - Erforderliche Heizwerte des Klärschlammes:7 MJ/kgselbständige Verbrennung 10 MJ/kgenergetische Nutzung - Klärschlammes nach mechanischer Wasserabtrennung:4 bis 6 MJ/kg bei 35 % TS-Gehalt - Klebrige Leimphase des Klärschlammes:40 bis 60 % TS-Gehalt - Kostenoptimierung zwischen Festkosten (Apparatekosten) und variable Kosten (Energiekosten) Lösung: - Klärschlammtrocknung mit Trockenschlammrückführung und Mischer: Rückführrate 35 %

10 5.3.Lösungsmöglichkeiten zur Entfernung von Methanal (Formaldehyd) aus Motorenabgasen (Forschungsauftrag 2009) - In der Abwasserreinigungsanlage einer Papierfabrik werden ca m N ³/d Biogas produziert. Daraus entstehen: elektrische Leistung: 2 MW thermische Leistung: 5,21 MW Abgas: m N ³/d mit 100 mg/m³ Methanal (Grenzwert < 40 mg/m³) - Prinzipielle Reinigungsverfahren: Thermische und katalytische Oxidation (Verbrennung) Absorption/Abgaswäsche / (gewähltes Verfahren) Adsorption biologische Abbauverfahren

11 - Absorption/Abgaswäsche / Schema einer kompletten Rückgewinnungsanlage für dampfförmige Lösungsmittel

12 - Dimensionierung der Filmkolonne: -- Durchmesser: Kontinuitätsgleichung für die Gasphase im Arbeitspunkt: d K Kolonnendurchmesser, m Massenstrom Abgas, kg/s w AG,AP Gasgeschwindigkeit im Arbeitspunkt auf den freien Kolonnenquerschnitt bezogen, m/s Gasgeschwindigkeit im Arbeitspunkt sollte 80 % von der Geschwindigkeit im Inversionspunkt (Flutungspunkt) betragen. w AG Gasgeschwindigkeit im Inversions- punkt auf den freienKolonnen- querschnitt bezogen, m/s

13 Gleichung für die Gasgeschwindigkeit am Inversionspunkt w AG nach PLANOWSKI und KAFAROW: Massenstrom Waschwasser, kg/s a FK spezifische Oberfläche der Füll- körperschüttung, m²/m³ v FK freies Volumen der Füllkörper- Schüttung, m³/m³ - Ergebnisse mit Mathcad 8.0: Gasgeschwindigkeit am Inversionspunkt (auf den freien Querschnitt bezogen): w AG = 2,55 m/s Gasgeschwindigkeit am Arbeitspunkt (auf den freien Querschnitt bezogen):w AG,AP = 2,04 m/s Kolonnendurchmesser: d K = 1,3 m

14 -- Höhe der Füllkörperschüttungen HHöher der Kolonne, m n th Theoretische Stufenzahl, - h äq Äquivalente Höhe der Stufen, m KAFAROW: aAnstieg der Gleichgewichtsfunktion, - a FK Oberfläche der Füllkörper, m²/m³ v FK Freies Volumen der Füllkörper, m³/m³ - Ergebnisse : theoretische Stufenzahl: n th = 12 äquivalente Höhe einer Trennstufe: h äq = 1,03 m Höhe der Kolonne (der gesamten Schüttungen ohne Boden- und Kopfraum): H = 12,32 m

15 5.4. Trocknungsuntersuchungen von Keramikelementen nach einer in situ-Wäsche (Forschungsauftrag ) Katalytische Abgasreinigung von Kraftwerksabgasen (Entstickung): Wabenkatalysator-Stücke aus Keramik - SCR-Reaktor Drei Lagen: 6048 x 3 = Elemente Element: 900 mm x 150 mm x 150 mm 6 NO NH 3 7 N H 2 O

16 - Situation: Ein Kraftwerk plant diese Katalysatoren im Reaktor zu waschen. - Auftrag:· Wasseraufnahmevermögen(50 t Wasser) · Hygroskopischen Verhaltens (Gleichgewichtfeuchte) · Trocknungsverhalten - Lösung: Messung der Trocknungsverlaufskurven Labor-Konvektionstrockner: Mathematisches Modell für die Trocknungszeit,Konstanten Luftzustände : t ges Trocknungszeit, min K 1 kinetische Konstante, 1/min kinetische Gleichung

17 Trocknungsverlaufskurven, = 300 mm Prinzipielle Trocknungsverlaufskurve eines hygroskopischen Gutes: 1, 2Trocknungsabschnitte Y Anf Feuchtegehalt des Gutes, kg w /kg TS KKnickpunkt G Gleichgewicht tZeit, min weitere Kurven für: 150, 600 und 900 mm

18 Maßstabsübertragung auf = 3 · 900 = 2700 mm: Kinetisch Konstante: K 1 = 5, min -1 Zeit: t K = 333,3 min - Ergebnis bei 40 und bei 20°C: · Trocknungszeit: t = 9,1 und 11,5 h · Trocknungsluftstrom: = 1, m³/h X = y = t K t K als Funktion der Länge (Mathcad): Ausgleichsfunktion von 150 bis 900 mm: t K = 0,34466 · 0, ,8311

19 5.5. Bestimmung von ANTOINE-Konstanten mit einem Ebulliometer (studentische Arbeit) Grundlagen: - ANTOINE-Gleichung (p < 101,325 kPa): -RAOULT-DALTON´sches Gesetz, Gleichgewichtsfunktion x" = f(x')): ANTOINE-Konstanten Ethanol, t V = 78,4 °C: A = 8,65044B = 1892,02C = 249,47 Gegeben: Zweistoffgemisch Ethanol-2 Butanol: Messwerte: x 1 ' = 0,3448 x 1 '' = 0,5549 P S1 / kPat V / °C 10087,5 9073, ,6 y

20 Ergebnisse der ANTOINE- Konstanten (Mathcad):

21 5.6. Beitrag zur verfahrenstechnischen Modellierung von Freistrahlanlagen für die Gewässer- belüftung, 2012, Projekt LÜCKING, LESEGANG und SCHELTWORT (Jade-Hochschule): - Freistrahlanlage mit den Hauptelementen Leitrohr, Propeller, Schwimmkörpern: Modell: Freistrahl als Zylinder, Kegelstumpf,

22 Impulsstrombilanz für das Segment I und für alle folgenden Bilanzgebietet: mit: Quadratische Gleichung als Lösung: İ P Impulsstrom, N F P τ Reibungskraft, N F P G Schwerkraft, N F P A Auftriebskraft, N w p Geschwindigkeit, m/s rRadius, m Länge, m Ortsvektor:

23 Beispiel 1, Mathcad-Datei: Modellrechnung Freistrahlanlage 12 30grad-s.mcdx: Elektrische Leistung des Propellers: 2 kW Neigungswinkel der Anlage von der Senkrechten, β 2 :30 ° Leitrohrradius der Anlage r 2 :0,7 m Temperatur des Gewässers, Oberfläche:20 °C 10 m Tiefe:15 °C Flankenwinkel des Freistrahls, Kegel- stumpfes, α:15 ° Bahnkurve: nichtisotherm Zeitkomponenten in x- und in y-Richtung

24 Beispiel 2, Mathcad-Datei: Modellrechnung Freistrahlanlage 13 30grad-s.mcdx: wie Beispiel 1 aber isotherm Beispiel 3, Mathcad-Datei: Modellrechnung Freistrahlanlage 12 60grad-s.mcdx: wie Beispiel 1 aber 60° Beispiel 1 Bahnkurve12-60:60 ° zur Senkrechten Bahnkurve12-30:30 ° zur Senkrechten Bahnkurve 13: isotherm Bahnkurve 12: nichtisotherm

25 5.7. Untersuchungen zum Absetzverhalten von Flugasche im Rauchgas eines SCR-Reaktors: Bild Prinzip einer Entstickungsanlage in einem Kraftwerk

26 Strömungsablösungen in Bauteilen Flugasche im SCR-Reaktor Lösung: Umlenkbleche

27 - ARCHIMEDES-Zahl: laminar: Ar 3,6 - REYNOLDS-Zahl: Übergangsgebiet: 3,6 < Ar < turbulent: Ar Sedimentationsgeschwindigkeit für kugelige Einzelkörner:


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