Der Einfluß des Luftspalts zwischen einer schnellaufenden Bahn und einer Walze auf den Wärme- und Stofftransport

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  • Folgende Beispiele werden aus den Hauptanwendungsgebieten Ofenbau und Turbinenbau gewahlt: - Ofenauskleidungen, Chargiergestelle und rotierende Tragerrollen in

    - Laufschaufeln und Leitschaufeln in stationBen und in F'lugturbinen, - Brennkammern und Hitzeschilder im Turbinenbau (Anwendungstempe-

    Keramikbrennofen (Einsatztemperatur bis ,1350 "C),

    ratur bis etwa 1200C).

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    Qualitatssicherung bei Warmeu bertragern

    Dr. A . Polt, BASF Aktiengesellschaft, ZETFA, 6700 LudwigshafedRh.

    Ein- bzw. mehrphasig betriebene Warmeiibertrager sind wesentliche Bau- steine in teilweise komplex xernetzten thermischen Systemen, beispielswei- se in Energieverbunden. Ein Schwerpunkt der Qualitatssicherung des Arbeitsgebietes ,,industrielle Warmeiibertragung" ist schnelle, kurzfristige Hilfe bei aktuellen Problem- stellungen in vorhandenen Anlagen. Die praktische Erfahrung auf diesem Gebiet der Warmeiibertragung zeigt, daB wenige typische Problemfelder zu gravierenden wirtschaftlichen Aus- wirkungen durch - hohere Betriebskosten, - schlechtere Produktqualitat, - Apparateschaden und - Anlagenstillstand fuhren konnen. Die wichtigsten Problemfelder werden mit typischen Beispielen vorgestellt. Unterschiedliche Modellvorstellungen bei der Berechnung von Warme- ubergangskoeffizienten sind eher von untergeordneter Bedeutung. Wichtig sind vielmehr die Problembereiche der - Apparategestaltung, - Abschatzung effektiv vorhandener Temperaturdifferenzen, - Identifikation schwingungsfahiger Systembereiche. Praktisch erarbeitete, inzwischen erprobte Konzepte und Systeme zur Identifikation potentieller Probleme werden vorgestellt. Als Ergebnis dieser Erfahrungen werden auch anwendungstechnisch wich- tige Bereiche rnit noch unscharfem Wissen vorgestellt, um die verfugbare Berechnungswerkzeuge unter Einbeziehuug von Plausibilitats- und Erfah- rungskriterien erweitert werden sollten.

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    Die Berechnung der Warmestrahlung aus Gaskorpern rnit Feststoffbeladungen

    Dipl.-Ing. H.-G. Brummel (Vortragender), Siemens AG, Bereich KWU, Hammerbacherstr. 12t14, 8520 Erlangen, und Prof. Dr. rer. nat. D. Vortmeyer, Lehrstuhl B fur Thermodynamik, Technische Universitat Miin- chen, Arcisstr. 21, 8000 Munchen 2.

    Neue Dampferzeugungstechniken auf Kohlebasis wie die aufgeladene Flugstrom-Vergasung und die zirkulierende Wirbelschichtfeuerung weisen gasseitig Staubbeladungen auf, welche die bei der konventionellen Kohlen- staubfeuerung ublichen Werte um mehrere GroBeuordnungen ubersteigen konnen. Fur die Berechnung des Warmeaustausches zwischen dem partikelbelade- nen, heiBen Gas und der WassedDampf-Seite ist auch bei diesen Dampf- erzeugertypen neben der Konvektion der Warmetransport durch Strahlung nicht vernachlassigbar. Dabei ist es jedoch als Folge der hohen Staubbela- dung nicht mehr zulassig. wie bei Kohlenstaubfeuerungen mit geringen Partikelkonzentrationen ublich, das Warmestrahlungsverhalten des GasReststoff-Gemisches vereinfacht unter alleiniger Berucksichtigung der

    Absorption zu berechnen. Verantwortlich dafur ist die bei diesen Staubbe- ladungen nicht mehr zu vernachlassigende Strahlungsstreuung an den Feststoffteilchen, deren ruckwarts gerichtete Anteile eine Reduzierung des Strahlungstransportes bewirken. Deshalb wurde unter Einbeziehung der Mie-Theorie ein bekanntes Staubstrahlungsmodell derart erweitert, daB dieser Ruckstreuungseffekt bei der Auslegung von Strahlungsheizflachen jetzt beriicksichtigt werden kann. Fur eine homogene GasFeststoff-Suspension, die zwischen zwei parallelen Platten unendlicher Ausdehnung eingeschlossen ist (eindimensionale Betrachtung), kann aus der Strahlungstransportgleichung der Emissions- grad der Staubphase &st ermittelt werden. Bestimmende Parameter sind hierbei bei Staubbeladung Bst, die spezifische Oberflache des Staubes Ast, die Dicke der Staubschicht L und der Quotient a,welcher dasverhaltnis der mittleren rehtiv? Wirkungsquerschnitte fur Ruckwartsstreuung und Absorption Qrstr/Qabs darstellt:

    ) x ESt = 1 -

    ) / 1 + 2 a + l

    Mit Hilfe der Mie-Theorie zur Behandlung von Absorption und S treuung an Partikeln beliebiger GroRe ist es moglich, den ruckwarts gerichteten Strahlungsanteil und damit den Quotienten a zu berechnen. Durch den Einsatz dieser Theorie konnten sowohl aus vorliegenden MeBdaten zum Warmestrahlungsverhalten von Kesselstauben bei geringen Staubbeladun- gen die stoffspezifischen optischen Eigenschaften dieser Flugaschen ermit- telt als auch nachfolgend die relativen Wirkungsquerschnitte fur Absorption und Streuung in Abhangigkeit vorn Partikeldurchmesser bectimmt werden. Auf diese Weise wurde eine Reihe grundlegender Daten uber das Absorp- tions- und Streuungsverhalten von Kesselstauben verschiedenster Korngro- Ben gewonnen, welche es jetzt ermoglichen, den Strahlungstransport aus Gaskorpern an Strahlungsheizflachen bei hoheren Staubbeladungen reali- stischer zu berechnen. Auch konnten rnit dem detaillierten Modell klarere Aussagen zur Temperaturabhangigkeit des Staubemissionsgrades gemacht werden.

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    Der EinfluO des Luftspalts zwischen einer schnellaufenden Bahn und einer Walze auf den Warme- und S tofftra nspo rt

    Dipl.-Ing. C. Schuster (Vortragender) und Prof. Dr.-Ing. W Kast, Fachge- biet Thermische Verfahrenstechnik und Heizungstechnik der TH Darm- stadt. Petersenstr. 30, 6100 Darmstadt.

    Fiihrt man eine Papier- oder Folien-Bahn rnit geniigend hoher Geschwin- digkeit uber eine Walze, so bildet sich aufgrund einer Druckerhohung in den eingeschleppten Grenzschichten ein Luftspalt zwischen der Bahn und der Walze. Handelt es sich bei dieser Walze um eine Kuhl- oder Heizwalze, so verringert sich, bedingt durch die geringe Warmeleitfahigkeit der Luft , der Warmeubergang von der Bahn an die Walze erheblich. Diesen Vorgang kann man zum Beispiel im Kuhlwalzenstander einer Rollenoffsetdruckma- schine oder bei der Herstellung von Folienbahnen beobachten. Dazu wurde auf der Basis der Schmierlagertheoric ein mathematisches Modell entwickelt, das die Spalthohe in Abhangigkeit von der Bahnspan- nung. der Oberflachengeschwindigkeit, der Bahnbreite, der Viskositat der Luft und dern Radius der Walze beschreibt. Es zeigt sich, daB uber nahezu den gesamten Umschlingungsbereich der Spalt eine konstante Hohe annimmt. Diese Spalthohe h,, laat sich rnit der folgenden Gleichung beschreiben:

    806 Chem.-1ng.-Tech. 64 (1992) Nr. 9, S. 769-888

  • Dabei bedeutet B die Breite der Bahn, Ro den Radius der Walze. 7 die Viskositat der Luft, U die Summe aus den Oberflachengeschwindigkeiten und Tdie Zugspannung in der Bahn in Nlm. Mit diesem Modell lassen sich geeigncte MaBnahmen zur Beeinflussung der Spalthohe untersuchen. An eincr zu diesem Zweck erstelltenversuchsapparatur konnen die Annahmen des Modells ebenso wie die Wirksamkeit der spaltreduzierenden MaBnah- men bestatigt werden. Reduziert man die Kiihlwalzengeschwindigkeit, oder la& man die Kiihlwalze in entgegengesetzter Richtung zur Bahn laufen, so reduziert sich die Spalthohe. bis bei gleichgrofier entgegengesetzter Wal- zengeschwindigkeit der Spalt verschwindet. Eine weitere Moglichkeit , den Spalt beriihrungslos zu reduzieren, ist durch den Einsatz eines elektrosta- tischen Feldes oder eines scharfen Luftstrahls gegeben, die beide eine Kraft in radialer Richtung auf die Bahn ausiiben. Mit der Kenntnis der Spalthohe und des Stromungsfeldes im Spalt konnte basierend auf den allgemeinen Erhaltungsgleichungen ein Modell entwik- kelt werden: das den Warme- und Stofftransport von der Papierbahn durch den Luftspalt an die Walzenoberflache simuliert. Dabei wird die mogliche Kondensation beteiligter Stoffe ebenso beriicksichtigt wie die Adsorption dieser Stoffe in der Bahn. Am Beispiel einer Kiihlwalze im Rollenoffset- druck werden die Einflusse auf die Kondensation von Wasser- und Mineraloldampf auf der kalten Kiihlwalzenoberflache diskutiert. Beim Rollenoffset lauft die bedruckte Papierbahn mit einer Temperatur von ungefahr 140C auf die Kiihlwalze auf, deren Oberflache eine Temperatur von ungefahr 30 "C besitzt. Durch den groUenTemperaturgradienten kommt es .zu einer Kondensation der im Luftspalt eingeschleppten Wasser- und Losungsmitteldampfe auf der Kuhlwalzenoberflache. Der EinfluB der Adsorption auf das Mineralolkondensat bewirkt, daB der zu Beginn der Umschlingung auftretende Kondensatmassenstrom langsam versiegt. da rnit zunehmender Abkiihlung der Bahn das Adsorptionsvermo- gen des Papiers steigt. Die Sorptionsisotherme des Mineralols fur das verwendete Papier ist bei einer geringen Konzentrationsabhangigkeit stark temperaturabhangig. Dies bewirkt durch die zunehmende Adsorption des Mineralols im Papier jedoch ein Absinken des Mineralolpartialdrucks im Luftspalt, da der Stofftransport aus der aufieren Grenzschicht nicht ausreicht, um das adsorbierte Mineralol in den Luftporen des Papiers zu ersctzen. Durch dieses Phanomen laat sich die geringere Mineralolkonden- satmasse auf der Kiihlwalzenobefflache bei niedrigen Kiihlwalzen-Tempe- raturen erklaren, da sich in diesem Fall die Papierbahn schneller abkiihlt als bei hoheren Kuhlwalzen-Temperaturen, bei denen dann mehr Mineralol auf der Kiihlwalzen-Oberflache kondensiert. Messungen an in der Praxis betriebenen Rollenoffsetmaschinen zeigen eine recht gute Korrelation mit den berechneten Ergebnissen.

    Untersuchung des Warme- und Stofftransports bei der Kristallisation von Salzen an Warmetauschewanden mit Hilfe der holographischen lnterferometrie

    E: Seyfried (Vortragender), W Augusfin und M . Bohnet, Institut fur Verfahrens- und Kerntechnik, TU Braunschweig, Langer Kamp 7, 3300 Braunschweig.

    An beheizten Warmetauscherflachen bildet sich haufig eine den Warme- iibergang behindernde Belagschicht. Eine der Ursachen fur dieses sog. Fouling kann die Kristallisation von Salzen mit inverser Loslichkeit sein. Neben experimentellen Fouling-Untersuchungen wurde schon friiher ein physikdlisches Modell zur Vorausberechnung des Fouling-Widerstandes entwickelt. Dem Modell liegt die Vorstellung zugrunde, daB in einer laminaren Grenzschicht die Konzentration durch diffusiven Stofftransport linear auf einen unbekannten Wert in unmittelbarer Umgebung der Phasengrenze abnimmt. Dort fiihrt die Einbaureaktion zu einer weiteren sprungartigen Abnahme der Konzentration bis auf den Sattigungswert. Um die physikalischen Uberlegungen experimentell zu iiberpriifen und insbesondere die unbekannte Diffusionsschichtdicke bestimmen zu kon- nen. um daraus letztendlich die Konzentration an der Phasengrenze zu

    Chem.-1ng.-Tech. 64 (1992) Nr. 9, S. 769-888 807

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