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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.
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.
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.
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.
Farbstoffe aus den Wurzeln der Rubia tinctorum und anderer Krapp-Sorten zählten über Jahrtausende zu den wichtigsten Textilfarbstoffen. Sie wurden jedoch - bis auf einige Spezialanwendungen - von den preisgünstigeren synthetischen Farbstoffen verdrängt. Ein neues Umwelt- und Gesundheitsbewußtsein der Menschen führt neuerdings dazu, daß Pflanzenfarbstoffe seit einigen Jahren in besonderen Anwendungsbereichen der Textilienfärberei wieder zunehmend im industriellen Maßstab Interesse finden.
Beim Sieden von Gemischen wird in der Regel die Konzentration der siedenden Flüssigkeit und die dazugehörige Gleichgewichtskonzentration des Dampfes benötigt, um die relative Verschlechterung des Wärmeübergangs als Effekt des gleichzeitigen Wärme- und Stoffübergangs mit verschiedenen Korrelationen modellieren und berechnen zu können. Für diesen Zweck ist die in Teil I und II beschriebene Standard-Siedeapparatur mit Probenahmevorrichtungen ausgestattet worden, um aus Flüssigkeit und Dampfphase Proben entnehmen und gaschromatographisch analysieren zu können. Dieser Teil des Forschungsvorhabens enthält eine Beschreibung der gaschromatographischen Analytik, insbesondere Angaben zu Kalibrierungen, Messgenauigkeiten und analytischen Messergebnissen. Diese kommen zukünftig - über dieses Forschungsvorhaben hinaus - auch lehrbegleitend bei Konzentrationsbestimmungen in studentischen Laborarbeiten zur Anwendung.
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.
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.
Pflanzenfarbstoffe kommen derzeit nur in Spezialanwendungen zum Einsatz, da synthetische Farbstoffe wesentlich kostengünstiger erhältlich sind. Das Interesse an Naturfarbstoffen steigt jedoch zusehends mit wachsendem Umwelt- und Gesundheitsbewusstsein der Menschen, z. B. in der Lebensmittel- und Textilindustrie. Herkömmliche Färbetechniken sind für industrielle Anwendungen ungeeignet, da früher mit der ganzen Pflanzenmasse manuell gefärbt wurde, für den Einsatz mit heutigen Färbemaschinen aber nur konditionier- und dosierfähige, in der Regel volllösliche Farbstoffe in Frage kommen. Auch der in dieser Arbeit untersuchte, als „Färberröte“ seit jeher bekannte, rote Krappwurzelfarbstoff war im „Chemiezeitalter“ nahezu in Vergessenheit geraten. Seit einigen Jahren ist er wieder vermehrt Gegenstand von Forschungsarbeiten sowohl in der Landwirtschaft als nachwachsender Rohstoff, wie auch in der Textilfärbung und in der verfahrenstechnischen Wertstoffabtrennung. Halbquantitative Vorversuche mit einer einfachen Apparatur hatten gezeigt, dass der Krappwurzelfarbstoff mit drei Extraktionsstufen im wässrigen Kreuzstrom mit guter Ausbeute extrahierbar war und bei Extraktionstemperaturen um 90 °C die besten Färbeergebnisse lieferte. In dieser Arbeit werden Einflüsse verschiedener verfahrenstechnischer Parameter des Extraktionsprozesses auf Farbstoffausbeute, Extraktionskinetik und Färbequalität quantitativ untersucht als Beitrag zur Entwicklung eines Industrieverfahrens zur Isolierung eines konditionierfähigen Färbeproduktes.
Ein künstliches neuronales Netz (KNN) ist dem biologischen neuronalen Netz, wie es z. B. im menschlichen Gehirn vorliegt, nachempfunden. Dieses besteht aus 10^10 bis 10^11 Nervenzellen (Neuronen), wobei jeweils eine mit 10^3 bis 10^4 anderen Zellen verbunden ist. Eine Zelle besteht u. a. aus dem Zellkörper mit Zellkern, Dendriten und Synapsen. Über die Dendriten erhält die Zelle elektrische Impulse, die im Zellkern aufsummiert werden. Wird ein Schwellwert (engl. bias) überschritten, so wird ein Signal über die Synapsen an andere Neuronen gesendet. Analog enthält ein KNN „künstliche“, formal-mathematische Neuronen, die in Schichten (engl. layer) angeordnet und über Synapsen nach bestimmten Regeln miteinander verknüpft sind. Durch die Vielzahl von Verknüpfungsmöglichkeiten ergeben sich eine Vielzahl von KNN-Typen und -Anwendungen. In dieser Arbeit werden das Funktionsprinzip des formalen Neurons, wichtige Netztypen und KNN-Anwendungen in der Wärmeübertragung besprochen.
An artificial neural network (ANN) type multilayerperceptron with sigmoid activation function and errorbackpropagation learning algorithm was applied to predict heat transfer performances in a wide range of pressure and wall superheat at bubble boiling in free convection of two single component systems. For both systems the ANN prediction results were compared with the commonly used conventional correlation and gave in one case a comparable in the other a better accuracy. To improve the accuracy of ANN prediction it is possible to use interpolated experimental data for training and to optimise the network configuration.
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.
In Zeiten globaler Erwärmung und stetig steigender Umweltverschmutzungen spielt der Umweltschutz eine immer stärkere Rolle. Im Mittelpunkt der gesellschaftlichen Diskussion stehen dabei besonders Rauchgase, die bei der Verbrennung fossiler Energieträger zur Energieerzeugung oder in Müllverbrennungsanlagen entstehen. Diese sind mit Flugasche, Staub und Schwermetallen und Sauergasen belastet. Vor allem die Sauergase wie Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Chlorwasserstoff und Kohlendioxid sind als kritisch zu betrachten. Das industriell am häufigsten angewandte Verfahren für die Sauergasabtrennung ist die chemische Absorption. Als Waschmittel werden basisch wirkende wässrige Lösungen eingesetzt.
Elektromembranverfahren spielen eine wichtige Rolle in natürlichen Vorgängen, wie z. B. bei der Ernährung von Gehirnzellen, und sind von der Solarenergienutzung (elektrolytische Wasserstofferzeugung) und der elektrischen Energieerzeugung (PEM-Brennstoffzelle) über Abwasserreinigung, Wasserentsalzung und Wertstoffrückgewinnung (Elektrodialyse mit bipolaren Membranen oder mit Ionenaustausch) bis hin zum Einsatz in chemischen Syntheseverfahren auch technisch vielseitig einsetzbar. Sie sind aber noch wenig bekannt und längst nicht ausreichend erforscht. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden zur mathematischen Modellierung der Elektrodialyse mit Ionenaustauschermembranen.
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.