DE2248991A1 - PROCEDURES FOR OPERATING HEAT EXCHANGE DEVICES - Google Patents
PROCEDURES FOR OPERATING HEAT EXCHANGE DEVICESInfo
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Description
AktiengesellschaftCorporation
Frankfürt (Main) 6000 Frankfurt/Main, den 4.10.72Frankfürt (Main) 6000 Frankfurt / Main, October 4th, 1972
Prov.Nr. 7072 LCProv.No. 7072 LC
Verfahren zum Betrieb von ViärmeaustauschvorrichtungenMethod of operating via heat exchange devices
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von mit flüssigen Wärmeaustauschmitteln beaufschlagten, geschlossenen Wärmeaustauschvorrichtungen. The invention relates to a method for operating closed heat exchange devices charged with liquid heat exchange media.
Der-Wärmeübergang von einem flüssigen WärniGaustauschmittel an eine Viand und umgekehrt hängt bei einem vorgegebenen Wärmeaustauschmittel im wesentlichen von dessen Geschwindigkeit sowie von der Größe und Beschaffenheit der Wandflache ab, die mit dem Wärmeaustauschmittel in Berührung steht. Der Wärmeübergang läßt sich durch Vergrößerung der Geschwindigkeit des Wärmeaustauschmittelo, Vergrößerung der Wandfläche hierzu gehört auch der Einbau von Schikanen - und beispielsweise Aufrauhung der Wandung steigern. Jede dieser Maßnahmen ist jedoch mit einem stark steigenden Druckverlust verbunden. So steigt beispielsweise bei Erhöhung der 'Fluidgeschwindigkeit der Druckverlust nahezu doppelt so stark wie der Wärmeübergang an, so daß schon aufgrund ökonomischer Gesichtspunkte einer beliebigen Erhöhung der Fluidgeschwindigkeit Grenzen gesetzt sind. Auch der Einbau von Schikanen und die Aufrauhung der Wärmeaustauschwandung haben hohe Druckverluste zur Folge.The heat transfer from a liquid heat exchange medium on a Viand and vice versa, for a given heat exchange medium, depends essentially on its speed as well as on the size and nature of the wall surface, which is in contact with the heat exchange medium. Of the Heat transfer can be achieved by increasing the speed of the heat exchange medium, increasing the wall surface for this purpose The installation of baffles also includes - and, for example, increasing the roughening of the wall. Any of these actions however, it is associated with a rapidly increasing pressure loss. For example, the fluid velocity increases as the fluid velocity increases the pressure loss is almost twice as strong as the heat transfer, so that due to economic considerations one there are limits to any increase in the fluid velocity. Also the installation of harassment and the roughening of the Heat exchange walls result in high pressure losses.
Aufgabe der Erfindung ist, den Wärmeübergang in geschlossenen. Wärmeaustauschvorrichtungen zu verbessern, ohne daß hoherThe object of the invention is the heat transfer in closed. Improve heat exchange devices without sacrificing higher
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apparativer Aufwand getrieben und eine aufwendige Betriebsweise, insbesondere ein starker Druckverlust, hingenommen werden müssen.Apparatus expense driven and a complex operation, in particular a strong loss of pressure must be accepted.
Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren zum Betrieb von mit flüssigen Wärmeaustauschmitteln beaufschlagten, geschlossenen Wärmeaustauschvorrichtungen entsprechend der Erfindung derart ausgestaltet wird, daß dem Wärmeaustauschmittel inerter Feststoff mit einem mittleren Korndurchmesser im Bereich von 10 bis 150 /um in Mengen von 0,5 bis 20 VoI^ und die.mittlere Geschwindigkeit der Suspension auf einen Wert entsprechend einer Reynolds-Zahl im Bereich von 10.000 bis 70.000 bezogen auf einen Rohrdurchmesser von 1 cm eingestellt wird.The object is achieved in that the method for operating closed heat exchangers charged with liquid heat exchange media Heat exchange devices according to the invention is designed such that the heat exchange medium is more inert Solid with an average grain diameter in the range from 10 to 150 μm in amounts from 0.5 to 20 vol. And die.mittlere The speed of the suspension is based on a value corresponding to a Reynolds number in the range from 10,000 to 70,000 is set to a pipe diameter of 1 cm.
Zwar ist es bekannt, daß der Wärmeübergang .von Gas auf die Wand und umgekehrt erhöht werden kann, wenn dem Gasstrom feinteilige Feststoffe zugesetzt werden (Chemie Ing. TECHN. 39-1967 S. 282). Durch Zusatz von Feststoff mit hoher spezifischer Wärme zu Gas mit geringer spezifischer Wärme entsteht eine Gas-Feststoff-Mischung mit insgesamt höherer spezifischer Wärme, die letztlich für die Erhöhung des Wärmeüberganges verantwortlich gemacht wird. Bei flüssigen Wärmeaustauschmitteln, deren spezifische Wärme regelmäßig über der des zuzusetzenden Feststoffes liegt, kann in der Flüssig-Feststoff-Mischung nur eine insgesamt niedrigere spezifische Y/ärme resultieren, so daß eine Beeinflussung des Wärmeüberganges nur in Richtung einer Verminderung zu erwarten war. Überraschenderweise zeigten die durchgeführten Versuche, daß entgegen der Erwartung bei Einhaltung der erfindungswesentlichen Bedingungen beträchtliche Verbesserungen erzielt werden können.It is known that the heat transfer .from gas to Wall and vice versa can be increased if finely divided solids are added to the gas flow (Chemie Ing. TECHN. 39-1967 p. 282). The addition of solid matter with high specific heat to gas with low specific heat is produced a gas-solid mixture with an overall higher specific heat, which is ultimately responsible for increasing the heat transfer is held responsible. In the case of liquid heat exchange media, the specific heat of which is regularly higher than that of the The solid to be added can be in the liquid-solid mixture only an overall lower specific Y / poor result, so that an influence on the heat transfer was only to be expected in the direction of a reduction. Surprisingly The tests carried out showed that, contrary to expectations, if the conditions essential to the invention were adhered to considerable improvements can be achieved.
Die Reynoldszahl ist definiert zu Re = E -« .S f wobei σ dieThe Reynolds number is defined as Re = E - «.S f where σ die
ν die mittlere Geschwindigkeit in Hauptströmungsrichtung inν is the mean velocity in the main flow direction in
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m/sec, D eine den Querschnitt der durchflossenen Register der Wärmeaustauschvorrichtung charakterisierende Länge in m, beispielsweise den Rohrdurchmesser, und ν die kinematischem / sec, D is a length in m characterizing the cross-section of the heat exchanger device through which it flows, for example the pipe diameter, and ν the kinematic
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Zähigkeit in m · see. bedeuten. Der bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gültige Reynoldszahlenbereich hat · demzufolge die Abmessungen der Register der Wärmeaustauschvorrichtung zu berücksichtigen. In Anwendung auf rohrförmige Register ist bei Abweichung vom Einheitsdurchmesser 1 cm der Bereich der Reynoldszahlen linear entsprechend zu verändern. Bei Verwendung von Rohren mit beispielsweise 2 cm Durchmesser liegt die Reynoldszahl dann zwischen 20.000 und 140.000 bzw. 3 cm zwischen 30.000 und 210.000.Toughness in m · see. mean. When using the invention The Reynolds number range is valid consequently taking into account the dimensions of the registers of the heat exchange device. Applied to tubular registers If there is a deviation from the unit diameter of 1 cm, the range of the Reynolds numbers must be changed linearly accordingly. When using pipes with a diameter of 2 cm, for example, the Reynolds number is then between 20,000 and 140,000 or 3 cm between 30,000 and 210,000.
Die Erhöhung des Wärmeüberganges ist besonders groß, wenn in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung der dem Yfärmeaustauschmittel einzuverleibende inerte Feststoff mittlere Korndurchmesser von 10 - 50/um aufweist und in Mengen von 1-6 Vol%, insbesondere 2,5 bis 6 Vol%, angewendet wird.The increase in heat transfer is particularly great if, in a preferred embodiment of the invention, the heat exchange medium The inert solid to be incorporated has mean grain diameters of 10-50 μm and in amounts of 1-6 % By volume, in particular 2.5 to 6% by volume, is used.
Die dem flüssigen V/ärraeaustauschmittel zuzusetzenden Feststoffe sollten zweckmäßigerweise von mittlerer Härte sein. Eine zu hohe Härte könnte die Wandung der Wärmeaustauschvorrichtung schädigen, eine zu geringe Härte könnte eine ständig fortschreitende Verminderung der Partikelgröße des zugesetzten Feststoffes bedeuten. Besonders geeignete inerte Feststoffe sind solche mit einer Dichte über 1 g/cm5, wie beispielsweise' Sand, Erzstäube und aufgemahlene Schlacke.The solids to be added to the liquid exchange agent should expediently be of medium hardness. Too high a hardness could damage the wall of the heat exchange device, too low a hardness could mean a steadily progressive reduction in the particle size of the added solid. Particularly suitable inert solids are those with a density above 1 g / cm 5 , such as, for example, sand, ore dust and ground slag.
Als Wärmeaustauschmittel sind Wasser, wäßrige Lösungen von beispielsv/eise Säuren, Basen und Salzen,·organische Lösungsmittel, wie Diphenyl und Mineralöle, geeignet, wobei die Viskosität nicht mehr als das Zehnfache der von Wasser bei den jeweiligen Anwendungptemperaturen betragen sollte.The heat exchange medium is water, aqueous solutions of, for example, acids, bases and salts, organic solvents, such as diphenyl and mineral oils, with a viscosity no more than ten times that of water should be the respective application temperatures.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in praktisch allen geschlossenen Wärmeaustauschern eingesetzt werden. Hierzu zählen beispielsweise Doppelrohr-, Ringspalt-, Platten- und Spiral-Wärmeaustauscher. Besonders geeignet sind solche, deren Heizbzw. Kühlregister frei von Schikanen sind. Der Querschnitt der Register ist beliebig.The process according to the invention can be used in practically all closed heat exchangers. Which includes for example double tube, annular gap, plate and spiral heat exchangers. Particularly suitable are those whose Heizbzw. Cooling coils are free from baffles. The cross section of the Register is arbitrary.
Das die Wärmeaustauschvorrichtung durchfließende Wärmeaustauschmittel kann sowohl in geschlossenem als auch offenem Kreislauf geführt werden. Eine offene Kreislaufführung liegt beispielsweise vor, wenn das Wärmeaustauschmittel nach Durch gang entspannt und dadurch Teile desselben verdampft werden.The heat exchange medium flowing through the heat exchange device can be conducted in both closed and open circuits. There is an open cycle for example, before when the heat exchange medium is relaxed after passage and parts of it are evaporated as a result.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die Figuren 1-5 näher und beispielsweise erläutert.The invention is explained in more detail and by way of example with reference to FIGS. 1-5.
Zur Versuchsdurchführung diente eine Wärmeaustauschvorrichtung mit rohrförmigen Kühlregistern, deren Durchmesser 2,7 cm betrug, und Wasser von 50 0C als Wärmeaustauschmittel· Inerter Feststoff war Sand unterschiedlicher Körnung.For the test, a heat exchange device served with tubular cooling registers whose diameter was 2.7 cm, and water of 50 0 C Inert as a heat exchange media · solid was sand of various particle size.
Die Figuren 1 und 2 enthalten Kurvenscharen, die die Veränderung des Wärmeüberganges in % in Abhängigkeit von der zugesetzten Feststoffmenge in Vol% bei jeweils vorgegebenen mittleren Korndurchmessern und Reynoldszahlen (ReV/) beschreiben. Die Reynoldszahlen der untersuchten Systeme betragen bei Figur 1 88.000 bei Figur 2 164.000. Inerter Feststoff war Quarzsand mit einem mittleren Korndurchmesser von 12 bzw. 25 bzw. 40 bzw. 70 bzw. 120/um.Figures 1 and 2 contain families of curves which describe the change in the heat transfer in % as a function of the added solid amount in% by volume for the given mean grain diameters and Reynolds numbers (ReV /). The Reynolds numbers of the systems examined are in FIG. 1 88,000 in FIG. 2 164,000. Inert solid was quartz sand with an average grain diameter of 12 or 25 or 40 or 70 or 120 μm.
In den Figuren 3, 4 und 5 ist die Veränderung des Wärmeüberganges in Abhängigkeit vom Feststoffgehalt für die Reynoldszahlen 88.000, 113.000, 140.000 und 164.000 am Beispiel von Feststoff mit den mittleren Komdurchmessern dp von 12 bzw. --■" bzw. 70yum niedergelegt, lieben den Reynoldszahlen sind dieIn FIGS. 3, 4 and 5, the change in the heat transfer as a function of the solids content is for the Reynolds numbers 88,000, 113,000, 140,000 and 164,000 using the example of solids with mean grain diameters dp of 12 or - ■ " or 70yum, love the Reynolds numbers are those
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jeweiligen mittleren Geschwindigkeiten des Wärmeaustauschmittels genannt, (1,5; 2,0; 2,5; 3,0 m/sec.)· ■given mean speeds of the heat exchange medium, (1.5; 2.0; 2.5; 3.0 m / sec.) · ■
Aus dem Diagramm laßt sich ablesen, daß die Parameter Feststoff gehalt, mittlerer Korndurchmesser und Reynoldszahl für die Veränderung des Wärmeüberganges über komplizierte Zu-r sammenhänge verantwortlich sind. Bemerkenswert ist, daß das Optimum für die Erhöhung des Wärmeüberganges vergleichsweise wenig von der Konzentration des Feststoffes beeinflußt wird. In allen untersuchten Fällen lag es bei Konzentrationen zwischen etwa 3»5 und 5,8 Vol%. Hingegen wirken sich mittlere Korndurchmesser, insbesondere im Bereich kleiner Werte, und Reynoldszahl stark aus. Bei Verwendung von Feststoffen mit kleiner werdendem mittlerem Korndurchmesser ist die Reynoldszahl zu erhöhen, mit größer werdendem mittlerem Korndurchmesser zu senken. Die größte bei den Versuchen gemessene Steigerungsrate beträgt knapp 34% bei einem mittleren Korndurchmesser von 25/um, einer Feststoffkonzentration von ca. 3,5 Vol?a und einer Reynoldszahl von 164.000.From the diagram it can be seen that the parameters solid content, mean grain diameter and Reynolds number for the change in the heat transfer over complicated supplies contexts are responsible. It is noteworthy that the optimum for increasing the heat transfer is comparatively high is little affected by the concentration of the solid. In all cases examined, the concentrations were between about 3 »5 and 5.8 vol%. Meanwhile, have an effect Grain diameter, especially in the range of small values, and Reynolds number strongly. When using solids with As the mean grain diameter becomes smaller, the Reynolds number must be increased, as the mean grain diameter increases to lower. The largest rate of increase measured in the tests is just under 34% with an average grain diameter of 25 μm, a solids concentration of approx. 3.5 vol. a and a Reynolds number of 164,000.
Die bei den Versuchen durch den Zusatz von inertem Feststoff im bevorzugten Konzentrationsbereich von 1-6 Vol?6 aufgetretene Erhöhung des Druckverlaufes betrug maximal 8%, The increase in the pressure curve that occurred in the tests through the addition of inert solids in the preferred concentration range of 1-6 vol. 6 was a maximum of 8%,
Anhand der in den Figuren 1-5 enthaltenen Orientierungsdaten lassen sich in einfacher Weise die für einzelne Wärmeaustauschprobleme günstigsten Bedingungen ermitteln.Using the orientation data contained in FIGS. 1-5, the information for individual heat exchange problems can be determined in a simple manner determine the most favorable conditions.
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