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63 Fliissigkeits-Entrainment an freien Oberflachen: GroBen- und Geschwindigkeitsverteilung der Tropfen Dr.-Ing. B. Spang (Vortragender), Institut fiir Thermodynamik, Univer- sitat der Bundeswehr Hamburg, 22039 Hamburg, und C. Murvillet, Groupement pour la Recherche sur les Echangeurs Thermiques, CENGIGRETH, 85X, F-38041 Grenoble Cedex. An der freien Fliissigkeitsoberflache in Dampfkesseln oder Stoffaus- tauschapparaten, wie z. B. Blasensaulen, werden von der Dampf- oder Gasstromung Fliissigkeitstropfen mitgerissen (Entrainment). DiesesTrop- fen-Entrainment hat meist nachteilige Auswirkungen, z. B. den Verlust oder die Verunreinigung von Produkten und Fouling in nachgeschalteten Warmeiibertragern. Wahrend groBere Tropfen einfach durch die Schwer- kraft abgeschieden werden konnen, miissen fur die Abscheidung kleinere Tropfen rnit Durchmessern unter etwa 100 pm in der Regel Tropfenab- scheider eingebaut werden. Fur die Auswahl und Dimensionierung dieser Tropfenabscheider miissen Daten iiber die vom Gasstrom mitgeschleppten Tropfen verfiigbar sein. Gerade fur Tropfen mit Durchmessern unter 100 pm sind aber die in der Literatur angegebenen Daten widerspriichlich. Mit einem Phasen-Doppler-Anemometer wurden iiber der freien Fliissigkeitsoberflache einer Blasensaule mit einem Durchmesser von 110 mm gleichzeitig TropfengroBen- und Tropfengeschwindigkeitsvertei- lungen unter Umgebungsbedingungen bestimmt. Aus meBtechnischen Griinden konnten nur Tropfen mit Durchmessern zwischen 2 und 100 pm in die Auswertung einbezogen werden. Aus den Daten fur die kleinsten Tropfchen konnen auBerdem die ortliche Gasgeschwindigkeit und der Turbulenzgrad der Stromung ermitteit werden. Bei den vorliegenden Messungen sollte der EinfluB der Stromungsgeschwindigkeit des Gases, der Hohe iiber dem Fliissigkeitsspiegelsowie der Stoffeigenschaften der Fliissigkeit untersucht werden. Zunachst wurden Messungen mit dem Stoffpaar Wasserhft bei mittleren Stromungsgeschwindigkeiten der Luft zwischen 0,l und 0,4 m/s (bezogen auf den freien Kolonnenquer- schnitt) und in verschiedenen Hohen iiber dem Fliissigkeitsspiegelzwi- schen 10 und 100 cm durchgefiihrt. DurchVerwendung von Zuckerlosun- gen verschiedener Konzentration wurde anschlieBend die Viskositat der Fliissigkeit zwischen 1 und 35 mPa s variiert. Die anderen mdgebenden Stoffeigenschaften (Dichte und Oberflachenspannung) bleiben dabei annahernd konstant. Die Abb. zeigt die fur reines Wasser ermittelten TropfengroBenvertei- lungen in der Mitte der Kolonne (r = 0 mm) bei einer Stromungsge- schwindigkeit vonj" = 0,l d s und MeBhohen von 10; 20 und 30 cm iiber dem Fliissigkeitsspiegel. D, ist der Tropfendurchmesser undfD die relative Haufigkeitsdichte, d. h. die Zahl der Tropfen in einer GroBenklasse, bezogen auf die Gesamtzahl der Tropfen und bezogen auf die Klassen- breite. Man stellt fest, d d die relative Haufigkeitsdichte sehr stark mit dem Tropfendurchmesser abnimmt. Mehr als 95% aller Tropfen weisen einen Durchmesser kleiner als 10 pm auf. MeBwerte in der Literatur, bei denen Maxima der relativen Haufigkeitsdichte fiir Durchmesser uber 2 wm 100 j. = 0.1 m/s r=Omm * 30 cm -R- 20 cm j. = 0.1 m/s r=Omm \b Abb. MeOwerte der TropfengroOenverteilung. auftreten, sind offensichtlich auf die abnehmende Empfindlichkeit der verwendeten MeBverfahren rnit abnehmender TropfengroBe zuriickzu- fiihren. Im Gegensatz dazu wird aber mehr als 90% der mitgeschleppten FliissigkeitsmengedurchTropfen mit einem Durchmesser groBer als 10 pm transportiert. Bei der vorliegenden kleinen Stromungsgeschwindigkeit von 0,l ds werdenTropfen mit einem Durchmesser iiber 50 pm durch die Schwerkraft abgeschieden. Abgesehen von diesem Effekt ist die GroBenverteilung annahernd unabhangig von der Gasgeschwindigkeitund der Hohe iiber dem Fliissig- keitsspiegel. Dagegen nimmt der mittlere Tropfendurchmessermit zuneh- mender Viskositat der Fliissigkeitzu. Die Geschwindigkeitsverteilung der Tropfen weist nahe der Fliissigkeitsoberflache eine sehr breite Streuung auf, die mit zunehmender MeBhohe abnimmt. Diese breite Streuung nahe der Oberflache wird im wesentlichen von der hohen Turbulenz der Stromung verursacht. 64 MeBgenauigkeit und Storungen von Coriolis-DurchfluBmessern bei pulsierender Fluidstromung Prof. Dip].-Ing. G. Vetter und Dip1.-Ing. S. Nofzon (Vortragender), Lehrstuhl fiir Apparatetechnik und Chemiemaschinenbau, Universitat Erlangen-Niirnberg, Cauerstr. 4, 91022 Erlangen. Die volumetrische Dosierung kleiner Fliissigkeitsstrome mit Verdranger- pumpen ist irn Betrieb zahlreichen Storeinflussen ausgesetzt. Eine zuverllssige Dosierung ist daher haufig nur rnit zusatzlichen MaBnahmen, wie der Messung des Forderstromes, erreichbar. Die im unteren Dosier- strombereich eingesetzten rotierenden und oszillierenden Verdranger- pumpen erzeugen einen mehr oder weniger stark pulsierenden Forder- strom, zu dessen Messung verschiedene Verfahren zur Verfiigung stehen. Der Coriolis-DurchfluBmesser zeichnet sich durch eine grok MeBbe- reichsspanne und eine hohe Genauigkeit aus und hat sich in den letzten zehn Jahren als universellesMassenstrommeBgerat etabliert. Die Eignung des Gerates zur Messung pulsierender Strome ist bislang jedoch nicht geklart. Die Untersuchungen erfolgten an zwei MeBgeraten des U-Rohr-Typs, der in der Industrie am weitesten verbreitet ist. Die Gerate unterscheiden sich im MeBbereich; das groBere Gerat ist als Doppelrohrsensor ausge- fiihrt. Fur die Grundexperimente wurde eineversuchsanlage errichtet, die es ermoglicht, den Sensor mit einer definierten pulsierenden Stromung bekannter Frequenz und Amplitude zu betreiben (monofrequente Anre- gung). Der mittlere Massenstrom sowie die Pulsationsfrequenz und -amplitude wurden schrittweise variiert und der MeBfehler des Gerates ermittelt. In weiterenversuchsreihen wurden die gewonnenen Ergebnisse an praxisnahen Pumpeninstallationen verifiziert (polyfrequente Anre- gund. n - Abb. Resonanzstorung des Coriolis-DurchfluOmessers durch die Pulsation einer Zahnradpumpe (1 1 Zahne); Forderstrom 200 bis 2000 kg/h, Forderdruck 1 bis 8 bar, E relativer MeOfehler, n Pumpendrehzahl. 1088 Chem.-1ng.-Tech. 65 (1993) Nr. 9, S. 1045-1136

63. Flüssigkeits-Entrainment an freien Oberflächen: Größen- und Geschwindigkeitsverteilung der Tropfen

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Fliissigkeits-Entrainment an freien Oberflachen: GroBen- und Geschwindig keitsverteilung der Tropfen

Dr.-Ing. B. Spang (Vortragender), Institut fiir Thermodynamik, Univer- sitat der Bundeswehr Hamburg, 22039 Hamburg, und C. Murvillet, Groupement pour la Recherche sur les Echangeurs Thermiques, CENGIGRETH, 85X, F-38041 Grenoble Cedex.

An der freien Fliissigkeitsoberflache in Dampfkesseln oder Stoffaus- tauschapparaten, wie z. B. Blasensaulen, werden von der Dampf- oder Gasstromung Fliissigkeitstropfen mitgerissen (Entrainment). DiesesTrop- fen-Entrainment hat meist nachteilige Auswirkungen, z. B. den Verlust oder die Verunreinigung von Produkten und Fouling in nachgeschalteten Warmeiibertragern. Wahrend groBere Tropfen einfach durch die Schwer- kraft abgeschieden werden konnen, miissen fur die Abscheidung kleinere Tropfen rnit Durchmessern unter etwa 100 pm in der Regel Tropfenab- scheider eingebaut werden. Fur die Auswahl und Dimensionierung dieser Tropfenabscheider miissen Daten iiber die vom Gasstrom mitgeschleppten Tropfen verfiigbar sein. Gerade fur Tropfen mit Durchmessern unter 100 pm sind aber die in der Literatur angegebenen Daten widerspriichlich.

Mit einem Phasen-Doppler-Anemometer wurden iiber der freien Fliissigkeitsoberflache einer Blasensaule mit einem Durchmesser von 110 mm gleichzeitig TropfengroBen- und Tropfengeschwindigkeitsvertei- lungen unter Umgebungsbedingungen bestimmt. Aus meBtechnischen Griinden konnten nur Tropfen mit Durchmessern zwischen 2 und 100 pm in die Auswertung einbezogen werden. Aus den Daten fur die kleinsten Tropfchen konnen auBerdem die ortliche Gasgeschwindigkeit und der Turbulenzgrad der Stromung ermitteit werden. Bei den vorliegenden Messungen sollte der EinfluB der Stromungsgeschwindigkeit des Gases, der Hohe iiber dem Fliissigkeitsspiegel sowie der Stoffeigenschaften der Fliissigkeit untersucht werden. Zunachst wurden Messungen mit dem Stoffpaar Wasserhft bei mittleren Stromungsgeschwindigkeiten der Luft zwischen 0,l und 0,4 m/s (bezogen auf den freien Kolonnenquer- schnitt) und in verschiedenen Hohen iiber dem Fliissigkeitsspiegel zwi- schen 10 und 100 cm durchgefiihrt. DurchVerwendung von Zuckerlosun- gen verschiedener Konzentration wurde anschlieBend die Viskositat der Fliissigkeit zwischen 1 und 35 mPa s variiert. Die anderen mdgebenden Stoffeigenschaften (Dichte und Oberflachenspannung) bleiben dabei annahernd konstant.

Die Abb. zeigt die fur reines Wasser ermittelten TropfengroBenvertei- lungen in der Mitte der Kolonne ( r = 0 mm) bei einer Stromungsge- schwindigkeit vonj" = 0,l d s und MeBhohen von 10; 20 und 30 cm iiber dem Fliissigkeitsspiegel. D, ist der Tropfendurchmesser undfD die relative Haufigkeitsdichte, d. h. die Zahl der Tropfen in einer GroBenklasse, bezogen auf die Gesamtzahl der Tropfen und bezogen auf die Klassen- breite. Man stellt fest, d d die relative Haufigkeitsdichte sehr stark mit dem Tropfendurchmesser abnimmt. Mehr als 95% aller Tropfen weisen einen Durchmesser kleiner als 10 pm auf. MeBwerte in der Literatur, bei denen Maxima der relativen Haufigkeitsdichte fiir Durchmesser uber 2 wm

100

j. = 0.1 m/s r = O m m

* 30 cm -R- 20 cm

j. = 0.1 m/s r = O m m \b

Abb. MeOwerte der TropfengroOenverteilung.

auftreten, sind offensichtlich auf die abnehmende Empfindlichkeit der verwendeten MeBverfahren rnit abnehmender TropfengroBe zuriickzu- fiihren. Im Gegensatz dazu wird aber mehr als 90% der mitgeschleppten Fliissigkeitsmenge durchTropfen mit einem Durchmesser groBer als 10 pm transportiert. Bei der vorliegenden kleinen Stromungsgeschwindigkeit von 0,l d s werdenTropfen mit einem Durchmesser iiber 50 pm durch die Schwerkraft abgeschieden.

Abgesehen von diesem Effekt ist die GroBenverteilung annahernd unabhangig von der Gasgeschwindigkeit und der Hohe iiber dem Fliissig- keitsspiegel. Dagegen nimmt der mittlere Tropfendurchmesser mit zuneh- mender Viskositat der Fliissigkeit zu. Die Geschwindigkeitsverteilung der Tropfen weist nahe der Fliissigkeitsoberflache eine sehr breite Streuung auf, die mit zunehmender MeBhohe abnimmt. Diese breite Streuung nahe der Oberflache wird im wesentlichen von der hohen Turbulenz der Stromung verursacht.

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MeBgenauigkeit und Storungen von Coriolis-DurchfluBmessern bei pulsierender Fluidstromung

Prof. Dip].-Ing. G. Vetter und Dip1.-Ing. S. Nofzon (Vortragender), Lehrstuhl fiir Apparatetechnik und Chemiemaschinenbau, Universitat Erlangen-Niirnberg, Cauerstr. 4, 91022 Erlangen.

Die volumetrische Dosierung kleiner Fliissigkeitsstrome mit Verdranger- pumpen ist irn Betrieb zahlreichen Storeinflussen ausgesetzt. Eine zuverllssige Dosierung ist daher haufig nur rnit zusatzlichen MaBnahmen, wie der Messung des Forderstromes, erreichbar. Die im unteren Dosier- strombereich eingesetzten rotierenden und oszillierenden Verdranger- pumpen erzeugen einen mehr oder weniger stark pulsierenden Forder- strom, zu dessen Messung verschiedene Verfahren zur Verfiigung stehen.

Der Coriolis-DurchfluBmesser zeichnet sich durch eine grok MeBbe- reichsspanne und eine hohe Genauigkeit aus und hat sich in den letzten zehn Jahren als universelles MassenstrommeBgerat etabliert. Die Eignung des Gerates zur Messung pulsierender Strome ist bislang jedoch nicht geklart.

Die Untersuchungen erfolgten an zwei MeBgeraten des U-Rohr-Typs, der in der Industrie am weitesten verbreitet ist. Die Gerate unterscheiden sich im MeBbereich; das groBere Gerat ist als Doppelrohrsensor ausge- fiihrt. Fur die Grundexperimente wurde eineversuchsanlage errichtet, die es ermoglicht, den Sensor mit einer definierten pulsierenden Stromung bekannter Frequenz und Amplitude zu betreiben (monofrequente Anre- gung). Der mittlere Massenstrom sowie die Pulsationsfrequenz und -amplitude wurden schrittweise variiert und der MeBfehler des Gerates ermittelt. In weiterenversuchsreihen wurden die gewonnenen Ergebnisse an praxisnahen Pumpeninstallationen verifiziert (polyfrequente Anre- gund.

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Abb. Resonanzstorung des Coriolis-DurchfluOmessers durch die Pulsation einer Zahnradpumpe (1 1 Zahne); Forderstrom 200 bis 2000 kg/h, Forderdruck 1 bis 8 bar, E relativer MeOfehler, n Pumpendrehzahl.

1088 Chem.-1ng.-Tech. 65 (1993) Nr. 9, S. 1045-1136