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Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik
Anlagenprojektierung – Übung Markus Hainthaler und Stefan Riedelmeier
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Anlagenprojektierung SS 2014
Termine Vorlesung: Prof. Schlücker Übung: Markus Hainthaler [email protected] Stefan Riedelmeier [email protected] Anmeldezeitraum für Klausur: 08.05. – 30.06.14
Datum Vorlesung Mi, 12:15 – 13:45, KS I
Datum Übung Do, 16:15 – 17:45, KS I
09.04. Vorlesung 10.04. Vorlesung
16.04. Vorlesung 17.04. --- [Osterferien]
23.04. Vorlesung 24.04. Übung (Fließbilderst.)
30.04. Vorlesung 01.05. --- [Maifeiertag]
07.05. Vorlesung 08.05. Vorlesung
14.05. Vorlesung 15.05. Übung (Brüdenverd.)
21.05. Vorlesung 22.05. Übung (Pinch)
28.05. Vorlesung (v. Issendorff) 29.05. --- [Christi Himmelfahrt]
04.06. Vorlesung (v. Issendorff) 05.06. Übung (Rohrleitung 1)
11.06. Vorlesung 12.06. Übung (Rohrleitung 2)
18.06. Vorlesung 19.06. --- [Fronleichnam]
25.06. Vorlesung 26.06. Übung (Komp.auswahl)
02.07. Fragestunde 03.07. --- [iPAT-Seminar]
Klausur: Fr, 04.07.14, 15:00 – 16:30, KS I & II
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Brüdenverdichtung
EINLEITUNG • Der Dampf, der beim Eindampfen einer Lösung entweicht, wird als Brüden
bezeichnet. • Der Wärmeinhalt des Brüdens kann wieder für den Verdampfungsprozess genutzt
werden. • Dazu muss die Temperatur des Brüdens etwas erhöht werden. Zur Erhöhung der
Kondensationstemperatur wird der Brüden um einige Zehntel bar (0,1 - 0,5 bar) verdichtet (TKond. – Brüden > TS – Lösung → Kondensationswärme des Brüdens kann genutzt werden).
Wärmestrombild
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Brüdenverdichtung
GRÜNDE FÜR DEN EINSATZ VON BRÜDENVERDICHTUNGSANLAGEN Mit Brüdenverdichtungsanlagen werden verschiedene energie- und umwelttechnische Ziele verknüpft:
• Verringerung der Energiekosten;
• Verminderung von Rauchgasemissionen wie CO2, CO, SO2, NOx;
• Reduzierung der Brüdenemissionen, z.B. Geruchsemissionen;
• Einsparung an Kühl- und Abwasser.
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Brüdenverdichtung
EINSATZGEBIETE Brüdenverdichtungsanlagen findet man in vielen Industriezweigen: • Milchverarbeitende Industrie: mehrstufige Verdampferanlagen für Molke, Mager-
und Vollmilch bei 40-70 °C;
• Zuckerindustrie: mehrstufige Eindampfanlagen für Zuckerrübensaft bei 90-130 °C;
• Fruchtsaftindustrie: mehrstufige Vakuumeindampfanlagen zur Konzentrierung von Fruchtsäften bei 40-100 °C;
• Brauindustrie: einstufige Anlagen zur Würzekochung bei 100 °C.
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Brüdenverdichtung
EINBINDUNG EINER BRÜDENVERDICHTUNGSANLAGE IN EINEN INDUSTRIEBETRIEB • Kleine Temperaturdifferenz zwischen Verdampfung und Kondensation;
• Jährliche Betriebsstundenzahl;
• Kosten für den Bezug von elektrischer Energie und Brennstoff;
• Kosten für Bedienung, Wartung, Reparatur;
• Investitionskosten der Brüdenverdichtungsanlage;
• Produkteigenschaften;
• Gesetzliche Auflagen.
Entscheidend für den Einsatz einer Brüdenverdichtungsanlage ist ihre
Wirtschaftlichkeit!
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Brüdenverdichtung
EINSATZ EINER BRÜDENVERDICHTUNGSANLAGE IN EINER BRAUEREI Inhalt der Würzepfanne / Charge 5000 l Einzudampfender Wasseranteil 10 gew.% Würzekochzeit 70 min Druck in der Würzpfanne 1 bar (TWürzpfanne= 99,6 °C) Sattdampfdruck 10 bar (TSattdampf = 180 °C)
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Brüdenverdichtung
• Welche drei prinzipiellen Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung bei der Eindampfung gibt es?
• Welche zwei Arten der Brüdenverdichtung gibt es?
• Welche Arten von Verdichtern kommen für die Brüdenverdichtung in Frage?
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Brüdenverdichtung
• Welche drei prinzipiellen Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung bei der Eindampfung gibt es?
Mehrstufenverdampfung (Druckabsenkung; Skript: AP 2, Folie 72) Brüdenverdichtung Vorwärmen durch Prozesswärme • Welche zwei Arten der Brüdenverdichtung gibt es? • Welche Verdichter kommen für die Brüdenverdichtung in Frage?
D
Z
K1 K2 K3
B
1 2 3
P
a) Gleichstromspeisung
D
Z
K1 K2 K3
B
1 2 3
P
b) Gegenstromspeisung
D
Z
K1 K2 K3
B
1 2 3
P
c) Parallelspeisung000060 0005
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Brüdenverdichtung
• Welche drei prinzipiellen Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung bei der Eindampfung gibt es?
Mehrstufenverdampfung (unter Druckabsenkung) Brüdenverdichtung Vorwärmen durch Prozesswärme (siehe Übung 3) • Welche zwei Arten der Brüdenverdichtung gibt es? thermisch mechanisch • Welche Verdichter kommen für die Brüdenverdichtung in Frage?
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Brüdenverdichtung
• Welche drei prinzipiellen Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung bei der Eindampfung gibt es?
Mehrstufenverdampfung (unter Druckabsenkung) Brüdenverdichtung Vorwärmen durch Prozesswärme (siehe Übung 3) • Welche zwei Arten der Brüdenverdichtung gibt es? thermisch mechanisch • Welche Verdichter kommen für die Brüdenverdichtung in Frage? thermische Verdichtung: Strahlverdichter 2a. mechanische Verdichtung: Schraubenverdichter 2b. mechanische Verdichtung: Turbokompressor axial/radial 2c. mechanische Verdichtung: Rootsverdichter
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Brüdenverdichtung
• Welche Verdichter kommen für die mech. Brüdenverdichtung in Frage? Schraubenverdichter Turbokompressor (axial)
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Brüdenverdichtung
• Welche Verdichter kommen für die mech. Brüdenverdichtung in Frage?
Rootsverdichter
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Brüdenverdichtung
1. ERSTELLUNG EINER VEREINFACHTEN WÄRMEBILANZ 3,75 % des Wärmeinhaltes der Würze gehen pro Stunde durch Wärmeverluste verloren (Umgebungstemperatur 20 °C). Der kondensierte Heizdampf wird auf 107 °C abgekühlt. a) Wie viel Frischdampf wird zur Beheizung benötigt, wenn keine Brüdenverdichtung stattfindet? b) Welche Betriebskosten entstehen für die Beheizung, wenn der Frischdampf mit € 7,20 pro 1000 kg verrechnet wird?
Warm-wasser
Frisch-wasser
Frischdampf( 10 bar, 180 °C )
Brüden-kondensator
heißesBrüden-
kondensat
Innenkocher
Brüden-kondensat-
kühler
Frischwasser
Warmwasser
Abwasser
heißesKondensat
Würzepfanne1,0 bar
kaltesKondensat
5000 l
... kg/h 100 °C
.... kg/h
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Brüdenverdichtung
2. INTEGRATION EINER WÄRMERÜCKGEWINNUNG MITTELS EINES DAMPFSTRAHLVERDICHTERS a) Wieviel Heizdampf mit einem Druck von p=1,3 bar wird zur Beheizung der Würzepfanne benötigt? b) Welchen spezifischen Dampfverbrauch hat der Verdichter, wenn ein Teil des Brüden von 1,0 bar auf 1,3 bar verdichtet werden sollen?
Expansionsverhältnis
0
1
ppE =
Kompressionsverhältnis 0p
pK =
Spezifischer Dampfverbrauch Saugstrom
Treibdampf
mm
b
=
kgkJh CbarHeizdampf /8,2237''107;3,1 =°
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Brüdenverdichtung
2. INTEGRATION EINER WÄRMERÜCKGEWINNUNG MITTELS EINES DAMPFSTRAHLVERDICHTERS c) Wie groß sind Saugstrom (Brüden) und Treibdampfstrom (Frischdampf)? d) Welcher apparative Wirkungsgrad errechnet sich für den Dampfstrahlverdichter? Aus einer Wasserdampftafel können hierzu folgende Enthalpiewerte für den Sättigungszustand entnommen werden (h´ : Enthalpie des Wassers, h´´: Enthalpie des Dampfes):
h´ [kJ/kg] h ´´ [kJ/kg] p = 1,0 bar, t = 99,6 °C 417,5 2675,4 p = 1,3 bar, t = 107°C 449,2 2687,0 p = 10 bar, t = 180 °C 762,61 2776,2
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Brüdenverdichtung
2. INTEGRATION EINER WÄRMERÜCKGEWINNUNG MITTELS EINES DAMPFSTRAHLVERDICHTERS
Warm-wasser
Frisch-wasser
Frischdampf( 10 bar, 180 °C )
Brüden-kondensator
heißesBrüden-
kondensat.. %
Innenkocher
Brüden-kondensat-
kühler
Frischwasser
Warmwasser
Abwasser
heißesKondensat
Würzepfanne1,0 bar
Dampfstrahl-verdichter
kaltesKondensat
.... kg/h Brüden .. %.... kg/h
.... kg/h
1,3 bar( 107 °C )
Heizdampf... kg/h
5000 l
428 kg/h 100 °C
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Brüdenverdichtung
2. INTEGRATION EINER WÄRMERÜCKGEWINNUNG MITTELS EINES DAMPFSTRAHLVERDICHTERS
Treibstrom
Saugstrom Heizstrom Treibdampf
SaugdampfHeizdampf
EEE −
=η