Experimentelle Untersuchung und Modellierung der Kondensation in Mehrstrom-Plattenwärmeübertragern
Creators: name: Müller, Arne
Publisher: name: Universitätsbibliothek der HSU / UniBwH
Year: 2021
Subjects: subject: Plattenwärmeübertrager
subject: Wärmeübergang
subject: Druckverlust
subject: Kondensation
subject: Multistream
subject: Wasserdampf
subject: Isopropanol
subject: Plate Heat Exchanger
subject: Heat Transfer
subject: Pressure loss
subject: Condensation
subject: Water Steam
subject: 620 Ingenieurwissenschaften

description: Das Ziel dieser Arbeit ist die Bereitstellung eines fundierten und experimentell belegten Konzepts zur energetisch optimierten Auslegung von Plattenwärmeübertragern (PWÜ), die in einphasigen Anwendungen oder als Kondensatoren eingesetzt werden. Als Grundlage der Optimierung werden Modelle zur Auslegung von PWÜ entwickelt und durch thermodynamische Analysemethoden ergänzt. Für die in verfahrenstechnischen Prozessen häufig eingesetzten Kondensatoren wird ein Multistream-PWÜ vorgeschlagen, in dem die sukzessive Enthitzung, Kondensation und Unterkühlung eines Primärfluids in separat angepassten Sektionen durch mehrere sekundärseitige Kühlfluide durchgeführt wird. Um die energetischen Verluste der Kondensationsvorgänge zu minimieren, bieten solche Mehrstromapparate die Möglichkeit, das beim Auftreten eines Phasenwechsels typische Temperaturprofil sekundärfluidseitig besser anzunähern, als es mit einem einzelnen Sekundärfluid möglich ist. Anhand experimenteller Ergebnisse wird gezeigt, dass die Entropieerzeugungsrate in PWÜ mit dieser Stromführung stark reduziert werden kann, was die Effizienz von Kondensatoren sowohl nach thermodynamischen als auch nach ökonomischen Gesichtspunkten erhöht. In drei experimentellen Studien wurden der Wärmeübergang und Druckverlust von einphasigen und kondensierenden Stoffströmen in einem PWÜ in Spannrahmenkonstruktion mit dem Kältemittel R134a, Wasserdampf und Isopropanol untersucht. In dem PWÜ mit zwei bis drei Sektionen wurden Platten mit zwei verschiedenen Ausführungen des Winkel-Wellen-Plattentyps eingesetzt. Die kühlfluidseitigen Wärme-übergangskoeffizienten wurden mittels lokaler Messungen von Wand- und Fluidtemperaturen bestimmt. Dazu wurde die Wärmestromdichte in das Sekundärfluid aus dem Verlauf der Fluidtemperaturen mit Hilfe von Leistungsbilanzen segmentweise bestimmt. Aus den gemittelten Temperaturdifferenzen zwischen dem Fluid und der Wand wurden die sekundärfluidseitigen Wärmeübergangskoeffizienten ermittelt. Primärfluidseitig wurden aus den Leistungsbilanzen und dem berechneten Druckverlauf die lokalen Zustände des Primärfluids bestimmt. Aus den Wärmestromdichten und Temperaturdifferenzen wurden die Wärmedurchgangskoeffizienten und schließlich die Wärmeübergangskoeffizienten berechnet. Auf Grundlage der eigenen experimentellen Daten und Daten anderer Autoren aus der Literatur wird ein generalisiertes Modell zur Berechnung der Wärmeübergangskoeffizienten einphasig strömender Fluide in PWÜ mit Winkel-Wellen-Prägung und ähnlichen Prägungen entwickelt, das den gesamten gebräuchlichen Bereich geometrischer Plattenparameter abdeckt. Für kondensierende Strömungen werden Nußeltkorrelationen und Druckverlustmodelle auf Grundlage der eigenen Daten erstellt. Für die Bewertung alternativer Auslegungen von PWÜ wird ein Modell zur Berechnung der Entropieerzeugungsraten bei der Wärmeübertragung aufbauend auf Modellen aus der Literatur vorgeschlagen. Das Modell wird anhand der experimentellen Ergebnisse validiert und die Quellen der Entropieerzeugung im PWÜ werden identifiziert. Darüber hinaus wird eine Methode zur Ermittlung des optimalen Plattendesigns zur Minimierung der Entropieerzeugung bei der Wärmeübertragung vorgeschlagen.
description: The aim of this work is to provide a well-founded and experimentally proven concept for the energetically optimized design of plate heat exchangers (PHE) that are used in single-phase applications or as condensers. As a basis for the optimization, models required for the design the plate heat exchangers are developed and supplemented by thermodynamic analysis methods. Multistream plate heat exchanger are proposed for use as condensers, which are frequently applied in chemical engineering processes. The successive deheating, condensation and subcooling of the primary fluid is carried out by several secondary cooling fluids in individually adapted sections. In order to minimize the energy demand for the condensation processes, such multi-flow devices offer the possibility to align the typical temperature profile on the secondary fluid side, when a phase change occurs, more closely than is possible by using a single secondary flow. Based on experimental results it is shown that the energy demand for the condensation can be greatly reduced, by minimizing the entropy production rate, which increases the efficiency of the heat exchanger both from a thermodynamic and an economic point of view. The potential of such devices is demonstrated using an example from the literature for heat integration in a heat exchanger network, which is analyzed using the mthod of Linhoff. Three experimental investigations on the heat transfer and pressure loss of single-phase and condensing mass flows with three fluids, the refrigerant R134a, water, and isopropanol, were carried out. A plate heat exchanger with a tenter frame design was used. In the two to three sections of the heat exchanger, plates with two different designs of the angle-wave plate type were employed. The heat transfer coefficients on the cooling fluid side were determined from measurements of local wall and fluid temperatures, from which the heat transfer coefficients on the secondary and primary fluid side were calculated segment by segment by means of energy balances. On the basis of this experimental data and data of other authors from the literature, a generalized model for the calculation of the heat transfer coefficient in single-phase flows is developed for plate heat exchangers with angle-wave embossing and similar plates, which covers the entire common range of geometric plate dimensions. For the condensing flow, Nußelt and pressure loss models are established on the basis of the experimental results. For efficiency-comparison of alternative designs of plate heat exchangers, a model for calculating the entropy production rates for heat transfer and pressure drop based on a model from the literature is suggested. The model is validated by using experimental results, and it is shown how the sources of entropy production in the PHE can be identified. A method for determining the optimal plate design to minimize entropy production during heat transfer is proposed.