Springen naar inhoud

Ontwerp Warmtewisselaar


  • Log in om te kunnen reageren

#1

Gosse

    Gosse


  • >25 berichten
  • 88 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 16 april 2007 - 12:22

Beste allemaal,

Ik heb een probleem tijdens het calculeren / ontwerpen van een warmtewisselaar. Het doel van de warmtewisselaar is om een pekel stroom van 30 m3/uur af te koelen van 25 naar 10 graden. Hiertoe maken we gebruik van een ijswaterstroom eveneens 30m3/uur en 2 graden C.

De benodigde warmte Qh volgt uit Qm*Cp*dT
Qm = 0.83 kg / sec (3000kg/3600sec)
Cp = 3.380 KJ/Kg.K
dT = 15

Qh(pekel) is dus 42 KW

Voor het ijswater:

Qh = 42 KW
Qm = 0.83 kg/sec
Cp = 4.221

Hieruit volgt dat dT = 12 C

Het logaritmisch temperatuurschil over de warmtewisselaar, als we kiezen voor een tegenstroom wisselaar is dus: 9,4 graden Celcius.

Als ik het benodigde warmte uitwisselde oppervlak wil weten heb ik de overall warmteoverdrachtscoefficient U nodig:

Qh = U x A x dT(ln)

Qh en dt zijn bekend. Dus moet de U nog bepaald worden. deze volgte uit een ingewikkelde berekening met Nusselt relaties zoals hieronder beschreven:

Voor gedwongen stroming door een pijp (buizenwarmtewisselaar) geld voor Nusselt :

Nu = 0.027 * Re^0.8 * Pr^0.33

Dit moet zowel voor het ijswater en de pekel gedaan worden. de partiele overdrachtscoefficient is dan

h = Nu * lamda (geleidingscoefficient) / D (dikte pijp)

Voor het ijswater geld:

Re = (rho * v * D)/viscositeit
rho = 999 kg /m3
v = 0.81 m/s (30m3/hr door een leiding met diameter 0.1143m)
D = 0.1143 (diameter pijp)
Visco = 1.79e-3 Pa.s
Dit levert een Re van 51750 de Turbulent

Pr voor water is 13,5 (getabeleerde waarde)

De Nusselt waarde is dus : 378 (-) dimensieloos

Voor de pekel

Re = (rho * v * D)/viscositeit
rho = 1024 kg /m3
v = 1.34 m/s (30m3/hr door een leiding met diameter 0.0889m)
D = 0.0889 (diameter pijp)
Visco = 2.00e-3 Pa.s (aanname)
Dit levert een Re van 61180 de Turbulent

Pr volgt uit
Cp x visco / lambda
lambda: 9.63 W/m.K (factor 20 groter dan water, volgt uit een berekening)
Pr is dan 0.7

De Nusselt is dan 162 (-)

partieele overdracht coefficient
h = Nu x lambda / D (lambda van het pijptmateriaal)(D is dikte pijp)
de term lambda/D is voor zowel ijswater als pekel gelijkt.

lamda = 16.2 W/m.K
D = 0.003 m

De resultaten zijn dan;
hpekel : 874824 W/m2.K
hijwater : 967464 W/m2.K

de overall volgt dan uit:
1/U = 1/h + 1/h

en is dan:

874824 W/m2.K

Dit is natuurlijk absurd hoog, enkel praktijk waardes leren ons dat dit soort waardes normaal voor dit soort gevallen in tussen de 300-500 zitten. Ik zit dus minimaal een factor 1000 te hoog maar heb geen idee waar dit mis gaat.

Is er iemand van jullie die mij kan helpen?

Ik heb vraagtekens bij mij lambda van de pekel. Omdat deze bijna een factor 20 groter is als die van het ijswater, maar als deze waarde kleiner wordt, wordt de U ook groter (Pr wordt groter)

Gevoelsmatig kloppen alle tussen antwoorden, Reynolds/Nusselt etc zijn niet absurde hoge waarden. De fout wordt dus puur gemaakt bij het omzetten van Nu naar h. Wat doe ik fout?

Alvast bedankt!

Groeten

Veranderd door Gosse, 16 april 2007 - 12:23


Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 16 april 2007 - 16:27

Zonder plaatje is het niet helemaal duidelijk hoe de warmtewisselaar eruit ziet. Is het een dubbele pijp warmtewisselaar? En wat stroomt dan in de binnenste pijp en wat eromheen?

Allereerst wat duidelijke fouten:
30 m3/uur is geen 3000 kg/uur maar minstens 30.000 kg/uur dus Qm en Qh zijn een factor 10 groter dan jij berekent.

En zorg dat je de juiste fysische eigenschappen gebruikt. Een Cp van 3,38 kJ/kg.K voor pekel lijkt me erg laag. Later gebruikt je voor pekel een rho van 1024 kg/m3 dus dat is maar ongeveer 2,4 % zout, nog minder dan zeewater. Ook gebruik je een lambda van 9.63 W/m.K wat veel te hoog is waardoor je een Pr van 0,7 krijgt wat veel te laag is.

Je rekent voor het ijswater met een pijpdiameter van 0,1143m. Is dat de diameter van de buitenste buis? Als dat zo is dan is de ijswater-snelheid niet zoals jij berekent maar veel hoger omdat de oppervlakte voor stroming kleiner is door de doorsnede van de binnenste buis. Bovendien moet je voor de berekening van Re dan de hydraulische diameter gebruiken van de ruimte tussen de buitenste en de binnenste buis en niet de diameter van de buitenste buis.

De partiele warmteoverdrachtscoefficienten h hebben helemaal niets te maken met de lambda (16.2) en dikte (0,003) van de pijp. Dat is waar het echt helemaal mis gaat. Om h voor pekel te berekenen moet je de Nu van pekel vermeningvuldigen met de lambda van pekel en delen door de diameter 0,0889 m van de pijp waar de pekel doorstroomt. Voor het ijswater soortgelijk alleen dan weer de hydraulische diameter gebruiken. Aangenomen tenminste dat het ijswater tussen de buitenste en de binnenste pijp stroomt wat ik opmaakte uit de opgave, maar echt duidelijk is dat voor ons lezers niet.

Ik pauzeer nu even. Denk er nog eens goed over na en probeer het dan nog eens.

Veranderd door Fred F., 16 april 2007 - 16:29

Hydrogen economy is a Hype.

#3

Gosse

    Gosse


  • >25 berichten
  • 88 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 17 april 2007 - 06:48

Fred,

bedankt voor je heldere commentaar. Ik heb alleen flink moeite om de juiste fysische eigenschappen van de pekel te vinden. Heb jij enige bronnen?

Ik zal je opmerkingen aanpassen en kijken waar ik dan op uitkom, maar het lijkt mij dat ik nogsteeds met een te hoge U uit kom omdat er in de aanpassingen niet een factor 1000 zit. Volgens mij zit ik ergens een factor 1000 te hoog. Ik zal nogmaals proberen alle eenheden door te werken.

Alvast bedankt voor je hulp!

Groet

G

#4

Gosse

    Gosse


  • >25 berichten
  • 88 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 17 april 2007 - 07:32

Allereerst iets over de situatie en dan over de vervolg berekeningen:

Het betreft een buizenwisselaar (in zijn simpelste vorm) met een binnenpijp en een buitenpijp. In de binnenpijp stroom de pekel die gekoeld moet worden, in de buitenpijp stroomt ijswater. De binnenpijp heeft een D = 88.9mmm de buitenpijp van 114.3mm. Het warmteuitwisselend oppervlak komt dus uit de wand van de binnenpijp, adh daarvan zal de benodigde lengte bepaald worden.

----

Ik ben nogmaals aan het berekenen geweest en zal de uitkomsten even opsommen:

Alleerst is nu de Qh verhoogt naar 423 KW ten gevolge van de tikfout bij het berekenen van de Qm

De Pr waarde van de pekel heb ik aangepast, ik heb wat waarden afgeschat waardoor de Pr uitkomt op 6. [waar kom ik aan fysische eigenschappen] Ik heb de lambda geschat op 2 en de Cp op 6000

Verder is de Reynolds van het ijswater aangepast; het doorstroom oppervlak verkleind waardoor de snelheid uitkomt op ruim 2 m/s. De hydrolische diameter heb ik bepaald via

Dh = 4xA / S
A = doorstroom opppervlak
S = natte omtrek (oppervlakte van de mantel van de binnen en buitenpijp)
De Dh komt dan uit op 0.055 m

Reynolds wordt daarmee: 62540.

De Nusselt waarde voor de pekel : 395
voor de ijswater 440

Nu de grootste fout waar ook de duizend tallen verdwijnen:

hinwendig= Nu x lambda / D (alles voor pekel)
huitwendig = Nu x lambda / D (alles voor ijswater)

Hi = 8872
Hu = 4451

De U ==> 1/U = 1/hi + 1/hu + lambda / D
levert een U van 1914 W/m2.K

Dit is hoger dan de verwachte 500 maar nog niet zo absurd hoog als het was.

#5

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 17 april 2007 - 18:45

De eigenschappen van pekel hangen af van de concentratie van het opgeloste zout. Wat is die?

De warmtegeleiding van water bij 20 oC is 0,60 W/m.K en die van zeewater (3,5 gew% zout) is een fractietje lager: 0.596 W/m.K. Nog meer opgelost zout betekent een iets lagere lambda, niet veel hoger zoals de waarde van 2 die jij noemt.

De Cp van zeewater is bij 20 oC iets lager dan die van water, namelijk 3990 J/kg.K , de 6000 die jij noemt is veel te hoog. Hoe geconcentreerder de pekel, hoe lager Cp, niet andersom.

De Pr van 6 is daardoor te laag voor pekel.

De viscositeit van zeewater bij 20 oC is 0,1 cPoise hoger dan die van water.

De berekening van de hydraulische diameter is niet goed. Ik vind 0,0254 i.p.v. 0,055
Als je Dh = 4A/S uitschrijft zul je voor een ringvormige doorsnede (zoals hier) vinden dat Dh = D2 - D1 = 114,3 - 88,9 = 25,4 mm.

De U van een water/water warmtewisselaar is over het algemeen ongeveer 1000 W/m2.K , niet 300 - 500. Jij zult uiteindelijk ook ongeveer daarop uitkomen wanneer je ook vervuilingsweerstanden toevoegt hetgeen gebruikelijk is bij het ontwerp.
Neem bijvoorbeeld Ri = 0,0003 m2.K/W voor pekel en Ru = 0,0002 m2.K/W voor ijswater dan krijg je:

1/U = 1/hi + 1/hu + D/lambda + Ri + Ru

(jij schreef 1/U = ......... + lambda/D , maar uit je berekende 1914 leid ik af dat je toch wel D/lambda gebruikte)

Formeel moet je hi en Ri corrigeren voor het verschil in binnen- en buitenoppervlak van de binnenste pijp maar dat effect is hier zo klein dat je het inderdaad kunt verwaarlozen.
Hydrogen economy is a Hype.

#6

Gosse

    Gosse


  • >25 berichten
  • 88 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 18 april 2007 - 06:53

De zoutcontratie licht zo tussen de 5 en 20 %. Het pekel wordt gebruikt bij het zouten van kaas, na het zouten van de kaas wordt de pekelstroom geregenereerd (meer zout aan toegevoegd) en weer gekoeld om vervolgens weer gebruikt te worden. Ik ga uit van een 20% geconcentreerde pekel. (Het ongunstige geval)

Ik zal eens kijken wat nu het resultaat van mijn berekening is:

WEderom bedankt!

#7

Gosse

    Gosse


  • >25 berichten
  • 88 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 18 april 2007 - 07:11

Ik heb in mijn excel sheet de nieuwe parameters ingevuld:

De lambda = 0.5 (lager dan die van water bij 5C)
Cp = 3990 (van Henderson calculatie sheet)
Pr = 16

Visco: 2e-3 (0.2Cp hoger)

Dh is 0.0254

MEt de vervuilingsweerstanden kom ik uit op een U van 1391 W/m2.K
Zonder is de U 4567 W/m2.K

Waar komen die vervuilingsweerstanden vandaan, moet ik ze altijd gebruiken af is dit afhankelijk van het type warmtewisselaar etc.

#8

Gosse

    Gosse


  • >25 berichten
  • 88 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 18 april 2007 - 08:41

Via ENgineering page (die je eerder in dit forum hebt gegeven) heb ik 2 fouling factoren opgezocht.
fi = 0.00009 (zeewater) fu = 0.00018 (rivierwater)

Ik heb echter ook nog de diameters aangepast die ik gebruikte om de h te berekenen. h = Nu.lambda/D. Ik gebruikte daarvoor de dikte van de leiding, maar moet dit niet de diameter van de pijp zijn?

Als ik de diameters en de vervuilingsfactoren bepaal, kom ik uit op een overdrachtscoefficient van "slechts" 643 w/m2.K. Dan heb ik nogal wat lengte pijp nodig om de warmteoverdracht te halen.

#9

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 18 april 2007 - 13:47

Die D moet de (hydraulische) diameter van de desbetreffende vloeistof (pekel of ijswater) zijn. En die lambda moet die van pekel of ijswater zijn, niet van de pijp. Dat had ik al in mijn eerdere reacties gezegd en ik had de indruk dat je dat al gecorrigeerd had gezien je schone U van 1914. Voor de warmteweerstand van de pijpwand geldt dat Rw = d/lambda = 0,003/16.2

Het is met typische fouling factors als met typische U's : zoveel hoofden zoveel zinnen.
In mijn ervaring waarbij warmtewisselaars vaak slechts eens in de drie jaar worden schoongemaakt worden voor water(ige oplossingen) hogere fouling factors gebruikt dan op engineeringpage. Maar ik begrijp van je eerdere reactie nu dat het om voedingsmiddelen gaat en die apparaten worden heel frequent schoongemaakt zodat je wel met een lage fouling factor van 0,00009 kunt werken.

Is de diameter van 0,0889 m van de binnenste pijp de inwendige diameter? Dan is zijn uitwendige diameter dus 0,0889 + 2*0,003 = 0,0949 m en de hydraulische diameter voor de ijswater doorstroming is dan eigenlijk 0,1143 - 0,0949 = 0,0194 m (i.p.v. 0,0254) en de stroomsnelheid ook wat hoger (minder oppervlak.

Ik heb wat getallen in een spreadsheet gegooid (20%pekel en jouw fouling factors) en kom toch op wat andere waarden voor h en U dan jij:
Pekel_Warmtewisselaar.JPG

Maar inderdaad: voor deze toepassing is een dubbelepijp warmtewisselaar onhandig lang. Normaliterer zul je voor een warmtewisselaar met meerdere kleinere diameter pijpen kiezen.
Hydrogen economy is a Hype.

#10

Gosse

    Gosse


  • >25 berichten
  • 88 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 19 april 2007 - 08:02

Fred,

In overleg met onze monteur ter plaatse is nu gekozen dat de pekel van 20-15 graden moet afkoelen. De benodigde lengte wordt dan 32 meter. Omdat er nu als een wisselaar van 16 meter staat, zal de monteur deze uitbreiden. Dat we op 32 meter uitkomen rijmt mooi met de huidige situatie waar de capaciteit 15m3/uur is. Hadden we in de beginfase direct kunnen zeggen dat de lengte verdubbeld moest worden?

De verantwoordelijkheid voor de temperatuur leg ik bij de klant neer, want 1 graad meer verschil zorgt voor een extra benodigde lengte van circa 10m.

Ik wil jou bedanken voor je controle en heldere aanwijzing

BEDANKT





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures