Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

svb1993

Beste lezers,

Ik heb hulp nodig bij een project.
Ik ben bezig met het berekenen van de afkoelsnelheid van een grote, rechtopstaande cilindrische tank waar melk in wordt geproduceerd. De tank wordt tussen verschillende ladingen gereinigd. De tank wordt dmv een CIP (Cleaning In Place) proces gereinigd met een vloeistof van 90 graden celsius. Deze vloeistof wordt dmv sproeibollen in de tank gespoten. Deze sproeibollen zitten in de tank gemonteerd. Ik ga er vanuit dat na deze reiniging de inhoud van de tank gevuld is met lucht van 90 graden Celsius met een luchtvochtigheid van 100%. Verder neem ik aan dat de RVS wand van de cilindrische tank ook 90 graden celsius is.
Na het reinigen met deze hete vloeistof wordt de tank afgekoeld met water van 10 graden celsius. Dit water wordt ook door dezelfde sproeibollen in de tank gespoten. Dit om de melk niet te laten klonteren als de tank weer wordt bijgevuld. Ik neem aan dat de totale binnenwand van de tank wordt bedekt met een laagje van 2mm water wat naar beneden sijpelt. De volumestroom uit de sproeibollen bedraagt 10 m^3/uur.

Mijn vragen zijn als volgt:
- Valt er te bepalen hoe snel dit waterlaagje naar beneden sijpelt? (Dit lijkt mij cruciaal om te bepalen hoe veel warmteoverdracht er plaatsvind)
- Als je de snelheid weet, hoe valt dan de warmteoverdracht te bepalen?
- Hoe valt te bepalen hoe veel oppervlakte van de koude druppeltjes in contact komt per kubieke meter hete lucht in de tank?

Ik heb jammer genoeg niet genoeg tijd voor dit project om mij te verdiepen in CFD software. Het simuleren van de situatie lukt mij dus niet.
Elk beetje informatie of hulp zou mij enorm helpen.

Alvast bedankt voor de moeite,
svb

Pinokkio

Ik neem aan dat de totale binnenwand van de tank wordt bedekt met een laagje van 2mm water wat naar beneden sijpelt. De volumestroom uit de sproeibollen bedraagt 10 m^3/uur.

Mijn vragen zijn als volgt:
- Valt er te bepalen hoe snel dit waterlaagje naar beneden sijpelt?

Als je de omtrek van de tank kent dan kun je eenvoudig uitrekenen wat de waterlaagsnelheid is bij een gegeven debiet 10 m³/uur. en een aangenomen waterlaagdikte van 2 mm. Maar erg zinvol is dat niet want omdat die 2 mm maar een aanname is, is de berekende snelheid dus in feite ook niet meer dan een aanname.

Verder neem ik aan dat de RVS wand van de cilindrische tank ook 90 graden celsius is.

Alweer een aanname.
Hoe heet de wand van de tank is na een bepaalde tijd sproeien met 90 ^oC water is net zo'n moeilijke berekening als het berekenen van de afkoeling met 10 ^oC water. Ik betwijfel ten zeerste dat de hele tank daadwerkelijk tot 90 ^oC opgewarmd wordt door het CIP proces

Begin dus eerst eens met wat simpel rekenwerk.
Bereken wat de massa van die RVS tank is. Zoek dus uit wat de diameter, hoogte en wanddikte is. En kijk of de tank aan de buitenzijde geisoleerd is, en zo ja, met wat en hoe dik.
Met de warmtecapaciteit van RVS kun je dan berekenen hoeveel warmte nodig is om die hele tank naar 90 ^oC op te warmen.
Kijk daarna naar het debiet van het hete waswater en de tijdsduur van dat CIP proces en vraag je af of het überhaupt mogelijk is dat in die tijdsduur de RVS-massa van de tank werkelijk tot 90 ^oC opgewarmd kan worden.

svb1993

Bedankt voor je reactie.

De totale massa RVS316 die opgewarmt moet worden is 560kg. Deze staalsoort heeft een soortelijke warmte van 500J/kgK.
Er zit in dit geval geen isolatie op de tank.
Als ik de tank wil opwarmen van 10 naar 90 graden celsius, dan heb ik : Q=m*c*dT = 560*500*80 = 22,4 MJ
Dus 22,4MJ nodig om de tank op te warmen.

Als ik een waterdebiet heb van 9,2m^3/uur = 2,56 L/s , en ik spoel de tank 10 minuten lang met 90 graden celsius water, is de volgende berekening dan juist?:
cwater = 4180J/kgK
2,56L/s * 600s(10 minuten) = ongeveer 1500 liter.
Q=m*c*dT = 1500*4180*80 = 501,6MJ

Heb ik het zo goed berekend? Betekent dit dat ik meer dan genoeg energie toevoer om de tank op 90 graden celsius te krijgen?

Pinokkio

Je kunt niet met 90 ^oC warm water een gehele tank opwarmen tot bijna 90 ^oC terwijl het water afkoelt naar 10 ^oC. Elk stukje tankoppervlak kan immers nooit warmer worden dan het water waarmee het in contact is.

Is dit een verticale tank?
Hoogte, diameter, wanddikte?
Zitten de sproeibollen alleen aan de bovenzijde?

svb1993

Ja het is een verticale tank. met aan de onder en bovenkant kegelvormige uiteinden. De wanddikte is overal 3mm en de diameter van het middelste cilindervorm is 1,8 meter. de hoogte van de cilinder is 3 meter en de totale hoogte van de tank is 3,48m. De kegelvormen zijn dus elk 0,24m hoog.
De sproeibollen hangen inderdaad vanuit de bovenste kegel in de tank op de hoogte waar de cilindervorm overgaat in de kegelvorm.

Pinokkio

Dus de tank weegt inderdaad niet meer dan 560 kg.
In dat geval zal 10 minuten lang 9,2 m³/h 90 ^oC heet water op de wand sproeien genoeg om de tankwand dicht bij 90 ^oC te brengen.

Aangezien de tank niet geisoleerd is kun je de wandtemperatuur eenvoudig meten met een IR thermometer. Wel eerst stukjes zwart plakband op de buitenwand plakken op de plaatsen waar je de temeratuuur wilt meten. Zwart heeft een emissiecoefficient van ongeveer 0,95 maar die van RVS is veel lager en hangt af van de toestand van het metaaloppervlak, en dus eigenlijk niet te voorspellen.

Door iedere minuut op verschillende hoogtes te meten kun je mooi het temperatuurprofiel als functie van de tijd tijdens het spoelen bepalen. Dat geldt niet alleen voor het opwarmen, maar ook tijdens het afkoelen met sproeiwater van 10 ^oC.

Aangezien het waterdebiet groot is t.o.v. de massa van de tank vermoed ik dat ook tijdens het afkoelen met 10 ^oC koud sproeiwater de tankwand in 10 minuten tijd al in de buurt van 10 ^oC zal komen. Aangenomen althans dat het water uit de sproeibollen allemaal op de zijwand van de tank spuit, en niet een groot deel vertikaal omlaag.
Om met water van 10 ^oC de tankwand af te koelen tot exact 10 ^oC duurt overigens oneindig lang, zoals je zult begrijpen.

Ik heb hulp nodig bij een project.

Is dat project een stage-opdracht, of afstudeeropdracht? Zo ja, wat is het opleidingsniveau?

svb1993

Het is een HBO stage-opdracht.

Ik heb niet de apparatuur en tanks tot mijn beschikking om deze tests uit te voeren. Deze tests zou ik, als ik ze überhaupt uit ga voeren, aan het einde van mijn project moeten doen. Dit om de berekeningen die ik daarvoor gemaakt heb te controleren.

De sproeibollen spuiten het water inderdaad allemaal tegen de wand aan. Het terug spetterende water zal niet heel veel zijn. Je moet denk ik wel aannames doen, aangezien de situatie zo veel factoren heeft. Het werkelijke debiet van de sproeibollen is dan ook 10,2 m³/uur. Ik hen aangenomen dat 90% van dat water de wand raakt (9,2 m³/uur).

Het probleem zit hem echter ook in het feit dat al dat water dus eerst een bepaalde weg aflegt door de stoom in de tank. Hoe veel m² koude water in contact komt per m³ stoom is ook nog een aanname die je moet doen. Dit heeft te maken met de verneveling van het water door de sproeibollen. Dit is eveneens niet bekend...
Hoe zou je dit aan moeten pakken zonder CFD software?

Pinokkio schreef: In dat geval zal 10 minuten lang 9,2 m³/h 90 ^oC heet water op de wand sproeien genoeg om de tankwand dicht bij 90 ^oC te brengen.

Hoe heb je dit precies berekend?

Pinokkio

Gewoon common sense.
Als het in 10 minuten tijd mogelijk is de boel met 90 ^oC heet water dicht bij 90 ^oC te krijgen dan zal het omgekeerde ook mogelijk zijn.

Dit heeft te maken met de verneveling van het water door de sproeibollen. Dit is eveneens niet bekend...

Die sproeibollen hebben een fabrikant en typenummer, neem ik aan. Dus zoek eens uit of er documentatie van die bollen aanwezig is in het melkbedrijf of op internet.

Ik heb niet de apparatuur en tanks tot mijn beschikking om deze tests uit te voeren. Deze tests zou ik, als ik ze überhaupt uit ga voeren, aan het einde van mijn project moeten doen. Dit om de berekeningen die ik daarvoor gemaakt heb te controleren.

Het lijkt me dom om dat pas aan het eind van je project te doen. Wat als dan pas blijkt dat je berekening totaal niet overeenkomt met de werkelijkheid? Dan heb je een groot probleem en geen tijd meer om een nieuwe filosofie te ontwikkelen.

In de theorieboeken over warmteoverdracht die ik ken staan geen correlaties voor de warmteoverdrachtscoefficient van een vallende vloeistoffilm op een vertikaal oppervlak. Je zult dus moeten googlen (in het Engels!) om iets bruikbaars te vinden. Ik heb even vlug wat ingetikt en vond bijvoorbeeld dit:
http://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/18811248.1975.9733162
Als je zelf verder zoekt zul je nog wel meer publicaties vinden, maar waarschijnlijk allemaal met nogal verschillende correlaties. Dit is geen exacte wetenschap.
Vandaar mijn advies: begin éérst met metingen zodat je weet wat het zijn moet en daarop de gevonden literatuurcorrelaties kunt selecteren en je berekeningsmethodiek aanpassen. Het werkt een stuk relaxter als je de uitkomst al weet en daar alleen maar naar toe hoeft te werken.

Pinokkio

Ik zie nu dat de goeie ouwe VDI Wärmeatlas een paragraaf heeft over warmteoverdracht aan vallende films (zie paragraaf Md). Wellicht heeft de bieb van jouw HBO dat boek.

De engelstalige versie is gedeeltelijk in google books te lezen:
https://books.google.nl/books?id=0t-HrUf1aHEC&pg=PA1287#v=onepage&q&f=false

Ik heb het allemaal niet doorgelezen om te zien of het voor jouw tank bruikbaar is, dat mag jij doen.

svb1993

Pinokkio schreef: Als het in 10 minuten tijd mogelijk is de boel met 90 ^oC heet water dicht bij 90 ^oC te krijgen dan zal het omgekeerde ook mogelijk zijn.

Hier neem je al aan dat die 10 minuten om de tank te verwarmen naar 90⁰C genoeg zijn. Ik had echter niet het idee dat mijn berekeningen goed zijn, of wel?

Pinokkio schreef: Die sproeibollen hebben een fabrikant en typenummer, neem ik aan. Dus zoek eens uit of er documentatie van die bollen aanwezig is in het melkbedrijf of op internet.

In die documentaties staan alleen maar de druk en de reikwijdte van de stralen die uit de bol komen. Er staat niets over verneveling oid.

Pinokkio schreef: Ik zie nu dat de goeie ouwe VDI Wärmeatlas een paragraaf heeft over warmteoverdracht aan vallende films (zie paragraaf Md). Wellicht heeft de bieb van jouw HBO dat boek.

De engelstalige versie is gedeeltelijk in google books te lezen:
https://books.google.nl/books?id=0t-HrUf1aHEC&pg=PA1287#v=onepage&q&f=false

Super! Ik ga kijken of ik dat boek ergens kan vinden. Het ziet er naar uit dat daar hele nuttige info in staat. Bedankt hiervoor.

Over het uitvoeren van metingen: Ik ben niet in de mogelijkheid dit te doen. Ik ga het proberen, maar denk niet dat het gaat lukken.
Verder ga ik kijken of er wat in dat boek staat over verneveling.

Als ik verdere vragen heb dan hoor je het wel. In ieder geval hartstikke bedankt.

Pinokkio

Hier neem je al aan dat die 10 minuten om de tank te verwarmen naar 90⁰C genoeg zijn. Ik had echter niet het idee dat mijn berekeningen goed zijn, of wel?

Nee, dat zijn ze niet.
Allereerst zou het oneindig lang duren om met water van 90 ^oC iets op te warmen tot 90 ^oC, en anderzijds ging jij er vanuit dat al het hete water afkoelt tot 10 ^oC.
Maar gezien het relatieve lage gewicht van de tank t.o.v. het waterdebiet acht ik het goed mogelijk dat in 10 minuten de tanktemperatuur in de buurt zal komen, zeg 80 - 85 ^oC.

Over het uitvoeren van metingen: Ik ben niet in de mogelijkheid dit te doen. Ik ga het proberen, maar denk niet dat het gaat lukken.

Nou, nou, het is doodsimpel. Je oma kan het ook.
Gewoon ergens (technische dienst of school) een IR-thermometer lenen en ergens wat zwarte tape ritselen.

Er blijkt een heel simpele formule te bestaan voor warmteoverdracht van vallende waterfilm langs vertikale wand.
Die correlatie is ooit gepubliceerd in een artikel:
McAdams, Drew & Bays, "Heat Transfer to Falling-Water Films," Transactions of the A.S.M.E., pp. 627-631, October 1940.
Het oorspronkelijke artikel is te vinden in:
http://cybra.lodz.pl/Content/6097/Trans_vol.62_no.7_1940.pdf
In het zeer bekende Perry's Chemical Engineers' Handbook, dat mogelijk ook in jullie bieb staat, is de essentie ook te vinden.
Het is maar een klein stukje tekst dus ik kan het hier wel even posten:

: Heat Transfer Falling Films - Perry 8th Edition, page 5-11.jpg (134.47 KiB) 1098 keer bekeken

Het gaat dus om vergelijking 5-67 die specifiek voor water is.

svb1993

Pinokkio schreef: Nou, nou, het is doodsimpel. Je oma kan het ook.
Gewoon ergens (technische dienst of school) een IR-thermometer lenen en ergens wat zwarte tape ritselen.

De metingen zelf zullen het probleem niet zijn. Ik kan alleen niet bij de tanks komen. Een Campina bijvoorbeeld is heel streng met hygiëne etc.

Pinokkio schreef: Het is maar een klein stukje tekst dus ik kan het hier wel even posten:
Heat Transfer Falling Films - Perry 8th Edition, page 5-11.jpg

Het gaat dus om vergelijking 5-67 die specifiek voor water is.

In die vergelijking zie ik niet zo goed hoe je M/pi*D moet invoeren. Er staat namelijk achter dat het kg/m*s is en dat is niet hetzelfde.

svb1993

svb1993 schreef: In die vergelijking zie ik niet zo goed hoe je M/pi*D moet invoeren. Er staat namelijk achter dat het kg/m*s is en dat is niet hetzelfde.

Niet goed gekeken. Laat maar

Pinokkio

Toch wel.
Het is gewoon het waterdebiet (kg/s) gedeeld door de omtrek waarlangs het water stroomt (π.D in meters)

svb1993

Pinokkio,

In de onderstaande pagina uit de Heat Atlas staat hoe je het Reynolds getal en daarmee de dikte van de filmlaag berekend.

: IMG_9808.JPG (125.55 KiB) 1084 keer bekeken

Nu zie je dat met mijn berekeningen ik op een uitkomst van 0,5mm kom. Ik heb echter nergens in die berekeningen een ruwheid meegerekend van de wand. Denk jij dat dit goed is?

: image2.JPG (76.48 KiB) 1084 keer bekeken

: image3.JPG (75.77 KiB) 1086 keer bekeken

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank

Re: Warmteoverdracht filmlaag en nevel van water aan binnenkant tank