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Ändert sich in einem Plattenwärmeübertrager der Aggregatzustand, sind die ablaufenden Prozesse des Wärmeüberganges komplexer als beim einphasigen Wärmeübergang. Im VDI-Wärmeatlas sind deshalb noch keine Berechnungsgleichungen für diese Arten der Wärmeübertragung in Plattenwärmeübertragern enthalten [1]. Es wird lediglich festgestellt, dass Hersteller von Plattenapparaten ihre diesbezüglichen Kenntnisse unpubliziert zurückhalten. Um die Tauglichkeit der in diesem Forschungsvorhaben zu untersuchenden Plattenapparate als Verdampfer und Kondensatoren festzustellen, sind deshalb experimentelle Untersuchungen notwendig. Das vorliegende Ergebnis einer Literaturrecherche soll dazu dienen, Erkenntnisse im Hinblick auf Gestaltung einer Versuchsanlage und Auswertung damit zu ermittelnder Messdaten zu gewinnen.
Ausgehend von Druckverlust und Wärmeübergang im einphasig turbulent durchströmten, glatten Rohr wurde eine dimensionslose Gütezahl G als Verhältnis von Nusseltzahl und Widerstandsbeiwert eingeführt, die es ermöglicht die Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Plattenapparate vergleichsweise abzuschätzen. Die beispielhafte Anwendung auf zwei Testapparaten mit unterschiedlicher Plattenprägung ergab eine besserer relative Wirtschaftlichkeit der weichen Platte vergleichsweise zur harten Platte im Bereich kleiner und mittlerer Re-Zahlen für einen weiten Bereich der Pr-Zahl, die aber mit zunehmender Re-Zahl abnimmt. Der Druckverlustunterschied zwischen Testapparaten und Referenzapparat sollte in weiterführenden Untersuchungen behandelt werden.
Plattenwärmeübertrager bieten gegenüber Rohrbündelapparaten technische Vorteile durch effektivere Wärmeübertragung und damit verbunden Kostenvorteile. In den letzten Jahrzehnten haben gedichtete Plattenwärmeübertrager erhebliche Marktanteile gewonnen. Bedingt durch ihre Bauart aus geprägten Wärmetauscherplatten und Abdichtungen mittels Elastomerdichtungen sind sie in ihren Anwendungsmöglichkeiten jedoch auf einen Temperaturbereich zwischen –10 °C bis 160 °C begrenzt. Durch die Entwicklung eines neuartigen Fertigungsverfahrens zum automatischen Verschweißen von Einzelplatten zu Plattenpaketen werden die Produkträume statt mit Dichtungen durch das Verschweißen der Platten gegeneinander abgedichtet. Dieser kompakte Apparat ohne jegliche Dichtungen kann bei niedrigeren und höheren Temperaturen und hohen Drücken eingesetzt werden. Damit eröffnen sich neue Einsatzmöglichkeiten in der Kälteindustrie, der chemischen Industrie, in der Prozesstechnologie – hierbei insbesondere im zweiphasigen Nassdampfbereich – und im Bereich der Nahrungsmittelproduktion.
Das Hauptproblem nicht nur der ingenieurwissenschaftlichen Forschung an Fachhochschulen ist das Fehlen eines leistungsfähigen akademischen Mittelbaus. Die Meinungen zur Lösung des Problems reichen zum Beispiel von der unwirksamen Forderung nach einer Angleichung der Vergütung für den FH-Mittelbau (derzeit in der Regel BAT IV) an die des universitären Mittelbaus (in der Regel BAT II) bis zu der unrealistischen Forderung nach dem Promotionsrecht für Fachhochschulen.
Das Sieden und besonders das in dieser Arbeit ausschließlich behandelte vollausgebildete Blasensieden ist immer dann die bevorzugte Form der Wärmeübertragung an Flüssigkeiten, wenn hohe Wärmeströme pro Heizflächeneinheit und pro K Heizwandüberhitzung übertragen werden sollen. In vielen Fällen werden dabei nicht reine Stoffe, sondern Stoffgemische eingesetzt, z. B. bei der Kühlung von Chemiereaktoren oder bei der thermischen Trennung von Stoffgemischen (Destillation, Rektifikation und Eindampfung zwecks Kristallisation). Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Wärmeübergangskoeffizient beim Blasensieden von Gemischen wegen des kombinierten Wärme- und Stoffübergangs in der Regel kleiner als bei reinen Stoffen ist. Besonders bei hohen Wärmestromdichten, hohen Drücken und hohen relativen Flüchtigkeiten der beteiligten Stoffkomponenten kann dieser „Gemischeffekt“ den Wärmeübergangskoeffizienten um Faktor 10 und mehr herabsetzen, was in der Apparateauslegung berücksichtigt werden muss.
Bislang gibt es keine einheitliche Theorie, um den Wärmeübergang beim Blasensieden in freier Konvektion für binäre Gemische ohne experimentelle Daten und mit ausreichender Genauigkeit vorauszuberechnen. In der Literatur gibt es jedoch zahlreiche Korrelationsgleichungen bzw. Modelle für die praktische Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten (WÜK). Diese Modelle oder Gleichungen sind empirische oder halbempirische Ansätze, die nur auf spezielle Stoffpaare anwendbar oder auf niedrige Siededrücke beschränkt sind oder nicht alle Einflussparameter enthalten.
An der Technischen Fachhochschule Wildau wurde ein Verbund Prozeßleitsystem-Rechnernetz entwickelt und in Kooperation mit der Firma Hartmann & Braun, Frankfurt realisiert und in Betrieb genommen. Das Verbundsystem wird sowohl für die Berechnung thermischer Trennprozesse (stationäre Simulation) und für die direkte Steuerung der Apparaturen im Technikum für thermische Verfahrenstechnik verwendet. Dabei ist ein On-line-Datenaustausch zwischen Rechnerteil und Prozeßleitsystem möglich.
Die Maßstabsübertragung vom Labormaßstab hin zur Großanlage ist eines der zentralen Anliegen der Verfahrenstechnik. Die dabei auftretende Frage nach dem optimalen Pilotierungsmaßstab wird infolge der explosionsartigen Entwicklung der Rechentechnik und unter dem Druck der Kosten verstärkt aufgeworfen. Die Aktualität dieser Frage widerspiegelt sich auch in der Extraktionstechnik, die dem allgemeinen verfahrenstechnischen Trend hin zum Experimentieren in verkleinertem Maßstab verbunden mit rechnerischer Prozeßmodellierung in zunehmendem Umfang folgt. Eine zweite Frage, die sich ebenfalls in Verbindung mit den Kosten sowohl im Technikum- wie auch im Produktionsmaßstab immer wieder stellt, ist die Entscheidung zwischen maßgeschneiderten Einzweckanlagen einerseits und andererseits Mehrzweck- oder Mehrproduktanlagen.
Beide Fragen waren wesentlich zu berücksichtigen, als es darum ging, einen Extraktionsversuchsstand im Technikum für Thermische Verfahrenstechnik der TFH Wildau einzurichten. Ziel war dabei eine kleinstmögliche Apparatur unter Wahrung des Bezuges zur technischen Apparategröße zu konzipieren, zu beschaffen und in Betrieb zu nehmen, so, daß einerseits der vorlesungsbegleitende Laborbetrieb des Lehrfaches Thermische Verfahrenstechnik so breit wie möglich abgedeckt wird und andererseits die F&E-Tauglichkeit sowohl hinsichtlich Apparategröße wie auch hinsichtlich der meßtechnischen Ausstattung erreicht wird. Das Ergebnis war eine Mehrzweck-Miniplantanlage, mit der sowohl die extraktive wie auch - simultan oder getrennt - die destillative Abtrennung von Wertstoffen oder Schadstoffen aus flüssigen Stoffgemischen möglich ist.
Das Sieden ist eine bevorzugte Form der Wärmeübertragung in der konventionellen und nuklearen Kraftwerktechnik, aber auch in vielen Anwendungen prozeßtechnischer Industriebranchen, z. B. chemische Siedereaktoren, lebensmitteltechnische Eindampfprozesse oder Erdöldestillationen, weil sich dabei vergleichsweise zur Wärmeübertragung ohne Änderung des Aggregatzustandes viel höhere Wärmestromdichten erzielen lassen. Schlüsselgröße für die verfahrenstechnische Auslegung von Verdampfern im Apparatebau und auch für die Beurteilung und Optimierung der Verdampferleistung im Betrieb ist der Wärmeübergangskoeffizient (WÜK). Mit zunehmender Energieverknappung gewinnt seine genaue Kenntnis immer größere Bedeutung, wie die Entwicklung der letzten 20 Jahre zeigt. Wegen der vielen Einflußgrößen des komplexen Siedevorgangs, wie z. B. Wandüberhitzung, Druck, Stoffdaten, Wandrauhigkeit und -geometrie ist die genaue Ermittlung des WÜK nicht einfach. Aus diesem Grund sind selbst die Berechnungsgleichungen des WÜK für reine Stoffe noch mit großen Unsicherheiten behaftet und liefern sichere Ergebnisse nur dann, wenn mindestens ein experimenteller Meßwert bekannt ist. Noch komplexer gestaltet sich die Sachlage im Falle siedender Gemische, die - anders als für die meist auf siedende Reinstoffe beschränkten energetischen Anwendungen - für prozeßtechnische Anwendungen, z. B. in Chemie, Lebensmittelverfahrenstechnik und Erdöldestillation, die Regel sind. Dabei ist man noch mehr auf experimentelle Daten angewiesen, weil es allgemein anwendbare, d. h. alle Einflußparameter umfassende Berechnungsgleichungen für Stoffgemische noch nicht gibt.

