Kühlerdimensionierung
Meta: Kühler, Kondensator, Kondenser, Kondensator, Liebig, Kühlschlange, Kühlspirale, Kühlspule, Kondensation, Kühlfinger, Allihn, Dimroth, Intensivkühler, Röhrenkühler, Shotgun
Liebe Gemeinde!
Da diese Frage in schöner Regelmäßigkeit auftritt und es Sinn macht, einen verlink- und suchbaren Beitrag extra zu diesem Thema zu veröffentlichen:
WIE DIMENSIONIERE ICH EINEN KÜHLER?
Prinzipiell: Der ausschlaggebende Faktor ist die HEIZLEISTUNG! Oder auch: Wie viel Produkt in welcher Konzentration und Zeit? Die Frage " Welchen Kühler benötige ich bei einer Brennblase von x Litern?" ist also sinnlos! Es ist empfehlenswert, die Dimensionierung auf Wasserdampf auszulegen, das verschafft einen Sicherheitspuffer und ermöglicht, die Destille auch zur äther. Ölherstellung oder zur dest. Wasserherstellung zu benutzen. Zu groß schadet nicht (abgesehen von Materialkosten, Handlichkeit, Gewicht und Platzbedarf), zu klein ist riskant! Ethanoldämpfe sind BRENNBAR, in der richtigen Mischung mit Luft (O2) sogar EXPLOSIV! Zu hohe Destillat-temperaturen führen zu erhöhter Evaporation (Engelsanteil) und erschweren die Prozentmessung, da die Dichte geringer ist. Eine Produkttemperatur von 20°C ist anzustreben. Der Kühler muss athmosphärisch offen sein, Destillat-seen in beispielsweise Kühlschlangen sind unbedingt zu vermeiden! Dies gilt auch bei nachgeschalteten Vorlagen, diese müssen entlüftet sein. Der Produktauslass des Kühlers sollte möglichst weit von der Heizquelle entfernt sein. Die Konstruktion sollte leicht zu reinigen und demontierbar sein. Auch hohe Sammelgefäße sollten unterstellbar sein. Das Gefälle muss gegeben sein. Bei erster Inbetriebnahme und VOR Genuss des Produktes erst mechanisch, dann mit Wasserdampf, dann mit Essigdampf, dann mit Alkoholdampf (der weggeschüttet wird) reinigen. Dabei auf Dichtigkeit prüfen, eventuell hyperbar abdrücken. Da die Kühler meist nicht mittig sitzen und gefüllt und angeschlossen recht schwer sind auf ausreichende Sicherung achten. (Hebelgesetze, Kippgefahr, Super-GAU!) Zu- und Ableitungen müssen ausreichenden Abstand zur Heizquelle haben und dürfen keine Stolperfallen darstellen. Reißt alles um! Kühler/Destille NIE unbeaufsichtigt lassen und VOR Dampfproduktion Wasser anstellen! Alle Zu/Ablaufhähne kontrollieren! Nie besoffen brennen, Hirn einschalten!
Eine Rolle spielen :
1. Verwendete Durchmesser
Auf der Wasserseite ist zu beachten: Der Widerstand in einem Rohr steigt bei Flüssigkeiten (viskositätsabhängig)bei Durchmesserhalbierung zur vierten Potenz, ist also 16 mal höher! Dies ist gerade bei evtl verwendeten Pumpen (Leistung) interessant und hat auch bei mit Leitungsdruck (ca. 3-6 Bar) betriebenen Kühlern Relevanz! (max. Volumendurchsatz)
Auf der Dampfseite gilt ähnlich: bei kleinen Durchmessern steigt der Druck (und dadurch auch die Strömungsgeschwindigkeit). Dies verschiebt das Siedediagramm, also die Siedepunkte der zu trennenden Stoffe, hauptsächlich Wasser und Ethanol. Die Dampftemperatur steigt! Es sollte immer versucht werden, die Bedingungen möglichst isobar zu halten. Kein Druck im Kessel! (Vakuumdestillation ist natürlich eine Ausnahme) Habe ich eine hohe Heizleistung, produziere ich viel Dampfvolumen, müssen die Dampfrohrdurchmesser größer sein.
2. Beteiligte Flächen
Sehr wichtig! Je höher die Kondensations/Wärmetauschfläche, desto besser, makroskopisch und mikroskopisch. Auf der Dampfseite wichtiger als auf der Wasserseite. Eine Aufrauhung mittels beispielsw. Schleifpapier kann Sinn machen. Das dadurch größere durch Oberflächenspannung gehaltene Volumen kann vernachlässigt werden, da die Oberflächenspannung von Ethanol sehr gering ist.
3. verwendete Materialien
Der Wärmeleitwert sollte hoch sein, Kupfer ist also gut. Edelstahl und Glas in absteigender Reihenfolge. Alle Kunststoffe fallen wegen gesundheitlichen Risiken aus! Bei Dichtungsmaterialien im Dampfweg ist NUR PTFE (Teflon) akzeptabel, besser ist, komplett auf diese zu verzichten. Bei Lot auf KEINEN Fall Elektroniklot verwenden, die enthaltenen Schwermetalle (Blei, Cadmium) bilden mit im Destillat immer in geringen Mengen enthaltenen org. Säuren lösliche Salze, SEHR giftig! Silberhartlot ist am besten, Sanitärlot geht zum Weichlöten auch. In der Materialcodierung dürfen die Kürzel Cd und Pb NICHT vorkommen, je höher der Ag-Gehalt, desto besser. Rotgussfittinge sollten aus gleichen Gründen wenn, dann nur geätzt im Dampfweg Verwendung finden.
4 . Temperatur des Kühlmediums
Je niedriger, desto besser, desto höher ist Delta T, desto mehr Energie kann das Kühlwasser aufnehmen, desto weniger Kühlwasser wird benötigt. ZU kalt (Eisblock, fl. Stickstoff, Trockeneis...) ist aber auch nicht gut, führt zu plötzlich kollabierendem Dampf und dadurch entstehendem Vakuum (das saugt mächtig!) und ist auch aufgrund auftretender Materialspannungen/unterschiedl. Dehnungskoeffizienten zu vermeiden. Bei den meisten Kühlern ist auf das Gegenstromprinzip zu achten, das heisst, das Kühlmedium sollte gegen die Dampfrichtung fließen.
5. Wandstärken
Je geringer, desto besser, solange Stabilität noch gewährleistet ist. Nicht vergessen, Kühler können, wenn gefüllt, sehr schwer werden.
6. Strömungsgeschwindigkeiten
Je höher diese vom Kühlmedium sind, desto besser, desto schneller kann die Wärme abtransportiert werden, desto besser ist die Durchmischung im Kühlmantel, desto höher ist die Temperaturdifferenz, desto kürzer kann er ausfallen. Nachteil: Höherer Wasserverbrauch bei offenem System und höhere Pumpleistung bei geschlossenem System. Der Wassermantel in einem Liebig muss nicht dick sein, geringes Volumen heisst hohe Fließgeschwindigkeit und Wasser hat eine enorme spez. Wärmekapazität (4,182 Kilo(!)Joule/Kg K bei 20°C) bei nur geringer Wärmeleitfähigkeit (0,6W(mK) bei 20°C). Die Latenz/Trägheit des Kühlers ist dann allerdings geringer.
7. Drücke
Ein gewisser Mindestdruck ist durchmesserabhängig in akt. Kühlsystemen notwendig, Schwerkraftgetriebene gehen nicht bei aktiven. In passiven (Fass mit Spirale) gibt es Schwerkrafteffekte, führt zu Schichtung. Dort wird auch ein Großteil der Energie oben abgegeben. Nicht schrecken lassen, wenn das Wasser oben brüllheiß wird, die Temp. unten ist interessant. In geschlossenen Kreisläufen, wenn Pumpe überfordert, Puffergefäß auf gleiche Höhe stellen oder steifes Kühlwassernachlaufrohr verwenden und dieses nur oben in Wasser eintauchen lassen (eff. Pumphöhe reduzieren) oder Radien erhöhen. Kühlwasservorlauf unten abpumpen. Achtung, Pumpen können ausfallen, gerade wenn sie warm werden! Funktionskontrolle vorsehen!
8. Volumen
Dampf hat ein VIEL höheres Volumen als Flüssigkeit, daher kann eine konische Konstruktion des Geistrohres Sinn machen (Bsp: 1 L Wasser = 1673 L Dampf). Bei Puffergefäßen gilt: Deren Temp. steigt im Betrieb, der Kühler muss also größer dimensioniert oder der Durchfluss erhöht werden. Schnelle Wasserwechselmöglichkeit mit Ablaufhahn vorsehen, eventuell Eis zum Kühlen vorhalten. Das benötigte Volumen des Puffergefäßes hängt von der Menge und den Prozenten des dest. Produktes und der Ausgangstemp. des Kühlwassers ab. Die doppelte bis dreifache Menge der Brennblase sollte es mind. sein, mehr ist immer besser.
Prinzipielle Möglichkeiten sind:
1. Luftkühlung
Spirale muss senkrecht stehen und sollte aktiv mittels Ventilator angeblasen werden, hohe Außentemperaturen sind schlecht, sehr gefährlich aber wasserunabhängig.
2. Wasserkühlung
Hier bieten sich an: Liebig, Dimroth, Intensivkühler, Allihn, Shotgun, Kühlfinger, Plattenkühler... alle mit spezifischen Vor- und Nachteilen.
Eine größenordnungsmäßige Beispielrechnung für Wasserdampf:
Gegeben sei eine isolierte wassergefüllte Brennblase von 10L Inhalt und 20°C und ein Heizelement von 1000 Watt intern elektrisch. Um auf 100 °C zu kommen muss ich erst mal 41,82x80 kJoule aufwenden, also 3345,6 kJ. Ein Watt ist 1 Joule/s, also benötige ich ungefähr 55min. Nun muss Verdampfungswärme (2088 kJ/kg) aufgebracht und Verschiebungsarbeit (169 kJ/kg) geleistet werden, bei einem Kilo, also ungef. einem Liter Destillat, macht das 2257 kJ. Das braucht 37 Min, der Kühler muss somit das niederhauen und das Destillat auf wieder 20°C abkühlen (Also 4,18x80 kJ=334,4 kJ), macht 2591,4kJ. Sind 1120Watt benötigte Leistung bei 37 Min. Warum mehr, als das Heizelement liefert? Weil ich ja auch auf 20° kühlen muss, die Energie, die ich beim Hochheizen reingesteckt habe, wieder herausziehen muss. Das fressen die Verluste des Kessels aber locker auf.
So kann man auch leicht ausrechnen, um wie viel sich die Temperatur bei welchem Kühlwasserdurchsatz erhöht, wie heiß der Pufferspeicher wird, usw.
Nun ist in unserem Fall die benötigte Energie aber geringer, da der Alkohol eine geringere Wärmekapazität hat, die Trennung Energie frisst, statistisch gesehen mehr Wasser im Kessel bleibt.
Um nun die Länge eines Kühlers zu berechnen, muss man den Wärmedurchgangskoeffizienten berechnen, der wiederum von Wärmeleitwert u.s.w abhängt. Kann man sich ein Wochenende oder länger damit beschäftigen. :-)
Viel Spass beim rechnen, wenn ich Fehler gemacht habe, bitte korrigieren, ist schon spät. Wer sich wundert, warum mein Produktkühler so riesig ausgefallen ist, dem sei gesagt: Das liegt an der Optik, den vorhandenen Glasröhren, der gewollten höheren Kapazität wegen eines ehemals installierten kühlmittelgespeisten Dephlegmatorkreislaufs...
ein Fünftel der Länge hätte wohl gereicht, wie mir das Kondensationsmuster zeigt! Die Refluxspule habe ich aber aufs Komma berechnet (nach ca 10 gescheiterten Kreuzproben) und lag goldrichtig, wie die Praxis bewiesen hat.
Wer mag, kann hier unter Angabe
-der Betriebsheizleistung (Gas, elektrisch extern oder intern)
-der Brennblasengröße (die ja nur für Verluste interessant ist ;-)
-Der Kühlwasserflussrate und -temperatur
seine Kondensatorspezifikationen posten, unter Angabe einer Vermutung, wie viel auch gereicht hätte. Dann hätten Neulinge einen Datensatz, der ein grobes Bild liefert?
Mit nächtlichen Grüßen, Hydroxyethan
Liebe Gemeinde!
Da diese Frage in schöner Regelmäßigkeit auftritt und es Sinn macht, einen verlink- und suchbaren Beitrag extra zu diesem Thema zu veröffentlichen:
WIE DIMENSIONIERE ICH EINEN KÜHLER?
Prinzipiell: Der ausschlaggebende Faktor ist die HEIZLEISTUNG! Oder auch: Wie viel Produkt in welcher Konzentration und Zeit? Die Frage " Welchen Kühler benötige ich bei einer Brennblase von x Litern?" ist also sinnlos! Es ist empfehlenswert, die Dimensionierung auf Wasserdampf auszulegen, das verschafft einen Sicherheitspuffer und ermöglicht, die Destille auch zur äther. Ölherstellung oder zur dest. Wasserherstellung zu benutzen. Zu groß schadet nicht (abgesehen von Materialkosten, Handlichkeit, Gewicht und Platzbedarf), zu klein ist riskant! Ethanoldämpfe sind BRENNBAR, in der richtigen Mischung mit Luft (O2) sogar EXPLOSIV! Zu hohe Destillat-temperaturen führen zu erhöhter Evaporation (Engelsanteil) und erschweren die Prozentmessung, da die Dichte geringer ist. Eine Produkttemperatur von 20°C ist anzustreben. Der Kühler muss athmosphärisch offen sein, Destillat-seen in beispielsweise Kühlschlangen sind unbedingt zu vermeiden! Dies gilt auch bei nachgeschalteten Vorlagen, diese müssen entlüftet sein. Der Produktauslass des Kühlers sollte möglichst weit von der Heizquelle entfernt sein. Die Konstruktion sollte leicht zu reinigen und demontierbar sein. Auch hohe Sammelgefäße sollten unterstellbar sein. Das Gefälle muss gegeben sein. Bei erster Inbetriebnahme und VOR Genuss des Produktes erst mechanisch, dann mit Wasserdampf, dann mit Essigdampf, dann mit Alkoholdampf (der weggeschüttet wird) reinigen. Dabei auf Dichtigkeit prüfen, eventuell hyperbar abdrücken. Da die Kühler meist nicht mittig sitzen und gefüllt und angeschlossen recht schwer sind auf ausreichende Sicherung achten. (Hebelgesetze, Kippgefahr, Super-GAU!) Zu- und Ableitungen müssen ausreichenden Abstand zur Heizquelle haben und dürfen keine Stolperfallen darstellen. Reißt alles um! Kühler/Destille NIE unbeaufsichtigt lassen und VOR Dampfproduktion Wasser anstellen! Alle Zu/Ablaufhähne kontrollieren! Nie besoffen brennen, Hirn einschalten!
Eine Rolle spielen :
1. Verwendete Durchmesser
Auf der Wasserseite ist zu beachten: Der Widerstand in einem Rohr steigt bei Flüssigkeiten (viskositätsabhängig)bei Durchmesserhalbierung zur vierten Potenz, ist also 16 mal höher! Dies ist gerade bei evtl verwendeten Pumpen (Leistung) interessant und hat auch bei mit Leitungsdruck (ca. 3-6 Bar) betriebenen Kühlern Relevanz! (max. Volumendurchsatz)
Auf der Dampfseite gilt ähnlich: bei kleinen Durchmessern steigt der Druck (und dadurch auch die Strömungsgeschwindigkeit). Dies verschiebt das Siedediagramm, also die Siedepunkte der zu trennenden Stoffe, hauptsächlich Wasser und Ethanol. Die Dampftemperatur steigt! Es sollte immer versucht werden, die Bedingungen möglichst isobar zu halten. Kein Druck im Kessel! (Vakuumdestillation ist natürlich eine Ausnahme) Habe ich eine hohe Heizleistung, produziere ich viel Dampfvolumen, müssen die Dampfrohrdurchmesser größer sein.
2. Beteiligte Flächen
Sehr wichtig! Je höher die Kondensations/Wärmetauschfläche, desto besser, makroskopisch und mikroskopisch. Auf der Dampfseite wichtiger als auf der Wasserseite. Eine Aufrauhung mittels beispielsw. Schleifpapier kann Sinn machen. Das dadurch größere durch Oberflächenspannung gehaltene Volumen kann vernachlässigt werden, da die Oberflächenspannung von Ethanol sehr gering ist.
3. verwendete Materialien
Der Wärmeleitwert sollte hoch sein, Kupfer ist also gut. Edelstahl und Glas in absteigender Reihenfolge. Alle Kunststoffe fallen wegen gesundheitlichen Risiken aus! Bei Dichtungsmaterialien im Dampfweg ist NUR PTFE (Teflon) akzeptabel, besser ist, komplett auf diese zu verzichten. Bei Lot auf KEINEN Fall Elektroniklot verwenden, die enthaltenen Schwermetalle (Blei, Cadmium) bilden mit im Destillat immer in geringen Mengen enthaltenen org. Säuren lösliche Salze, SEHR giftig! Silberhartlot ist am besten, Sanitärlot geht zum Weichlöten auch. In der Materialcodierung dürfen die Kürzel Cd und Pb NICHT vorkommen, je höher der Ag-Gehalt, desto besser. Rotgussfittinge sollten aus gleichen Gründen wenn, dann nur geätzt im Dampfweg Verwendung finden.
4 . Temperatur des Kühlmediums
Je niedriger, desto besser, desto höher ist Delta T, desto mehr Energie kann das Kühlwasser aufnehmen, desto weniger Kühlwasser wird benötigt. ZU kalt (Eisblock, fl. Stickstoff, Trockeneis...) ist aber auch nicht gut, führt zu plötzlich kollabierendem Dampf und dadurch entstehendem Vakuum (das saugt mächtig!) und ist auch aufgrund auftretender Materialspannungen/unterschiedl. Dehnungskoeffizienten zu vermeiden. Bei den meisten Kühlern ist auf das Gegenstromprinzip zu achten, das heisst, das Kühlmedium sollte gegen die Dampfrichtung fließen.
5. Wandstärken
Je geringer, desto besser, solange Stabilität noch gewährleistet ist. Nicht vergessen, Kühler können, wenn gefüllt, sehr schwer werden.
6. Strömungsgeschwindigkeiten
Je höher diese vom Kühlmedium sind, desto besser, desto schneller kann die Wärme abtransportiert werden, desto besser ist die Durchmischung im Kühlmantel, desto höher ist die Temperaturdifferenz, desto kürzer kann er ausfallen. Nachteil: Höherer Wasserverbrauch bei offenem System und höhere Pumpleistung bei geschlossenem System. Der Wassermantel in einem Liebig muss nicht dick sein, geringes Volumen heisst hohe Fließgeschwindigkeit und Wasser hat eine enorme spez. Wärmekapazität (4,182 Kilo(!)Joule/Kg K bei 20°C) bei nur geringer Wärmeleitfähigkeit (0,6W(mK) bei 20°C). Die Latenz/Trägheit des Kühlers ist dann allerdings geringer.
7. Drücke
Ein gewisser Mindestdruck ist durchmesserabhängig in akt. Kühlsystemen notwendig, Schwerkraftgetriebene gehen nicht bei aktiven. In passiven (Fass mit Spirale) gibt es Schwerkrafteffekte, führt zu Schichtung. Dort wird auch ein Großteil der Energie oben abgegeben. Nicht schrecken lassen, wenn das Wasser oben brüllheiß wird, die Temp. unten ist interessant. In geschlossenen Kreisläufen, wenn Pumpe überfordert, Puffergefäß auf gleiche Höhe stellen oder steifes Kühlwassernachlaufrohr verwenden und dieses nur oben in Wasser eintauchen lassen (eff. Pumphöhe reduzieren) oder Radien erhöhen. Kühlwasservorlauf unten abpumpen. Achtung, Pumpen können ausfallen, gerade wenn sie warm werden! Funktionskontrolle vorsehen!
8. Volumen
Dampf hat ein VIEL höheres Volumen als Flüssigkeit, daher kann eine konische Konstruktion des Geistrohres Sinn machen (Bsp: 1 L Wasser = 1673 L Dampf). Bei Puffergefäßen gilt: Deren Temp. steigt im Betrieb, der Kühler muss also größer dimensioniert oder der Durchfluss erhöht werden. Schnelle Wasserwechselmöglichkeit mit Ablaufhahn vorsehen, eventuell Eis zum Kühlen vorhalten. Das benötigte Volumen des Puffergefäßes hängt von der Menge und den Prozenten des dest. Produktes und der Ausgangstemp. des Kühlwassers ab. Die doppelte bis dreifache Menge der Brennblase sollte es mind. sein, mehr ist immer besser.
Prinzipielle Möglichkeiten sind:
1. Luftkühlung
Spirale muss senkrecht stehen und sollte aktiv mittels Ventilator angeblasen werden, hohe Außentemperaturen sind schlecht, sehr gefährlich aber wasserunabhängig.
2. Wasserkühlung
Hier bieten sich an: Liebig, Dimroth, Intensivkühler, Allihn, Shotgun, Kühlfinger, Plattenkühler... alle mit spezifischen Vor- und Nachteilen.
Eine größenordnungsmäßige Beispielrechnung für Wasserdampf:
Gegeben sei eine isolierte wassergefüllte Brennblase von 10L Inhalt und 20°C und ein Heizelement von 1000 Watt intern elektrisch. Um auf 100 °C zu kommen muss ich erst mal 41,82x80 kJoule aufwenden, also 3345,6 kJ. Ein Watt ist 1 Joule/s, also benötige ich ungefähr 55min. Nun muss Verdampfungswärme (2088 kJ/kg) aufgebracht und Verschiebungsarbeit (169 kJ/kg) geleistet werden, bei einem Kilo, also ungef. einem Liter Destillat, macht das 2257 kJ. Das braucht 37 Min, der Kühler muss somit das niederhauen und das Destillat auf wieder 20°C abkühlen (Also 4,18x80 kJ=334,4 kJ), macht 2591,4kJ. Sind 1120Watt benötigte Leistung bei 37 Min. Warum mehr, als das Heizelement liefert? Weil ich ja auch auf 20° kühlen muss, die Energie, die ich beim Hochheizen reingesteckt habe, wieder herausziehen muss. Das fressen die Verluste des Kessels aber locker auf.
So kann man auch leicht ausrechnen, um wie viel sich die Temperatur bei welchem Kühlwasserdurchsatz erhöht, wie heiß der Pufferspeicher wird, usw.
Nun ist in unserem Fall die benötigte Energie aber geringer, da der Alkohol eine geringere Wärmekapazität hat, die Trennung Energie frisst, statistisch gesehen mehr Wasser im Kessel bleibt.
Um nun die Länge eines Kühlers zu berechnen, muss man den Wärmedurchgangskoeffizienten berechnen, der wiederum von Wärmeleitwert u.s.w abhängt. Kann man sich ein Wochenende oder länger damit beschäftigen. :-)
Viel Spass beim rechnen, wenn ich Fehler gemacht habe, bitte korrigieren, ist schon spät. Wer sich wundert, warum mein Produktkühler so riesig ausgefallen ist, dem sei gesagt: Das liegt an der Optik, den vorhandenen Glasröhren, der gewollten höheren Kapazität wegen eines ehemals installierten kühlmittelgespeisten Dephlegmatorkreislaufs...
ein Fünftel der Länge hätte wohl gereicht, wie mir das Kondensationsmuster zeigt! Die Refluxspule habe ich aber aufs Komma berechnet (nach ca 10 gescheiterten Kreuzproben) und lag goldrichtig, wie die Praxis bewiesen hat.
Wer mag, kann hier unter Angabe
-der Betriebsheizleistung (Gas, elektrisch extern oder intern)
-der Brennblasengröße (die ja nur für Verluste interessant ist ;-)
-Der Kühlwasserflussrate und -temperatur
seine Kondensatorspezifikationen posten, unter Angabe einer Vermutung, wie viel auch gereicht hätte. Dann hätten Neulinge einen Datensatz, der ein grobes Bild liefert?
Mit nächtlichen Grüßen, Hydroxyethan