Was genau passiert in einem Liebigkühler?

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derwo
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Was genau passiert in einem Liebigkühler?

Beitrag von derwo » 30. Jun 2019, 13:13

Ein Liebigkühler wird normalerweise im Gegenstrom betrieben. Das bedeutet, das Kühlwasser bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung zum Dampf bzw Destillat.

Der Dampf ist normalerweise innen, das Kühlwasser außen. Die Wärme wird also von innen nach außen geleitet.
Dabei muss die Wärme drei Widerstände überwinden:

R1: Den Weg vom Dampf/Destillat zur inneren Seite des Innenrohrs
R2: Den Weg durch das Rohmaterial des Innenrohrs
R3: Den Weg von der Außenseite des Innenrohrs in das Kühlwasser

Diese drei Widerstände werden nacheinander überwunden und können somit zu einem Gesamtwiderstand addiert werden. Diese drei Widerstände sind in der Praxis meist sehr unterschiedlich groß. Daher hängt der Gesamtwiderstand normalerweise hauptsächlich vom größten der drei Widerstände ab.
Sagen wir...
R1 = 10
R2 = 1
R3 = 1000
...Dann macht es wenig Sinn, irgendwelche Maßnahmen zu ergreifen, welche R1 oder R2 verbessern. Denn solange R3 1000 ist, wird der Gesamtwiderstand immer über 1000 sein.
R2 hängt von der Wärmeleitfähigkeit und der Dicke des Rohrmaterials ab. Wenn man also hier zB ein Rohr nimmt, welches entweder halb so dick ist oder die Wärme doppelt so gut leitet, halbiert man zwar R2, insgesamt hat man den Kühler aber nur gering verbessert.
Edelstahl hat bei gleicher Wandstärke einen 18-fachen und Glas einen 320-fachen Wärmewiderstand wie Kupfer. Aber wie viel das ausmacht und sogar, ob das überhaupt bemerkbar ist, hängt von den anderen Teilwiderständen ab. In der Regel ist das Material zweitrangig. Das erklärt übrigens, warum Laborglaskühler überhaupt funktionieren. Wären diese Kühler wegen ihres Materials wirklich 320 mal so schlecht, müssten sie für dieselbe Kühlleistung 320 mal so lang sein.

Wie groß sind die Teilwiderstände in unserem Fall?
Hierbei muss man unterscheiden zwischen dem Kondensationsbereich oben und dem Abkühlungsbereich unten. Beim Kondensieren ist das Innenrohr mit Dampf gefüllt, beim Abkühlen mit Destillat und Luft. Dadurch ist der Widerstand vom Rohrinnern zur Rohrwand sehr unterschiedlich: Dampf hat eine unglaublich gute Dampfübertragung, langsam fließendes Destillat eine eher schlechte.

Beim Kondensieren:
Der Widerstand vom Dampf zur Rohrinnenwand ist sehr klein. Der größte Widerstand ist der Weg von der Außenwand des Innenrohrs ins Kühlwasser. Um den Kühler effizienter zu machen, muss man daher hier ansetzen. Das geht vor allem, indem man die Fließgeschwindigkeit des Kühlwassers erhöht. Ohne mehr Wasser zu verwenden, kann man das erreichen, indem man den Spalt zwischen Innen- und Außenrohr möglichst dünn gestaltet. Also zB nicht um ein 15mm-Rohr ein 28mm-Rohr herumbaut, sondern eines mit 22mm Durchmesser. Oder anstelle des 15mm-Innenrohrs eines mit 22mm nimmt.
Wenn man noch einen Draht spiralförmig in den Spalt einbringt, verbessert das zusätzlich die Verhältnisse (höhere Fließgeschwindigkeit und mehr Turbulenz). Wie viel das wirklich bringt, müsste man in einem direkten Vergleich allerdings erstmal ausprobieren.
Wenn man die Fließgeschwindigkeit dann noch erhöht, indem man einfach sehr viel Wasser nimmt, kann man auch mit sehr kurzen Kühlern das komplette Destillat kondensieren. Nicht nur wegen des geringeren Widerstands, sondern natürlich auch, weil das Kühlwasser dann ja kalt bleibt, der Temperaturunterschied zwischen innen und außen also gleichbleibend hoch.
Der Kondensationsteil macht in der Praxis aber nicht den Löwenanteil der Länge aus, der Abkühlungsteil ist normalerweise der längere. Es gibt also mit Wasserverschwendung nicht unbedingt viel zu gewinnen. Außerdem fangen Destillen meist zu ventilieren und wackeln an, wenn der gesamte Dampf auf zu kurzer Länge kondensiert wird.
Je mehr Wasser man verwendet, also diesen Teilwiderstand verkleinert, desto mehr wird die Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials und die Materialdicke wichtig. Bei einem sparsam betriebenen Kühler aber macht es wenig Unterschied, aus welchem Material er gebaut ist.

Beim Abkühlen:
Hier spielen R1 und R3 die entscheidende Rolle. R1 kann man über eine höhere Fließgeschwindigkeit verbessern. R3 (also den Destillatfluss) aber nicht, da man ja das Destillat nicht wirklich viel schneller fließen lassen kann. Also auch mit sehr viel Kühlwasser kann man die nötige Länge des Abkühlungsteils nur begrenzt verkürzen.
Hier kommt aber ein wichtiger, zusätzlicher Faktor ins Spiel:
Die effektive Kühlfläche:
Wenn der Dampf kondensiert, fließt das Kondensat in Schlieren die Rohrinnenwand herunter und sammelt sich dann in einer Rinne, in der er bis zum Ausgang fließt. In der Rinne aber ist die effektive Kühlfläche dann nur noch sehr klein. Das vermiest die Effektivität der Abkühlung dramatisch. Allerdings wird das Kondensat vom Dampf etwas herausgepustet, nimmt also von der hohen Dampfgeschwindigkeit etwas Schwung mit. Daher dauert es also ein bisschen, bis es in der Rinne landet. Dann aber ist eine effiziente Abkühlung nicht mehr gegeben, was zur Folge hat, daß weitere Länge dann recht wenig bringt. Doppelte Länge bedeutet also keinesfalls doppelte Leistung. Daran liegt es glaube ich, daß sich manche Brenner mit langen Kühlern oft wundern, daß andere Brenner mit wesentlich kürzeren Kühlern auch gut klarkommen.
Was kann man machen?
Natürlich den Kühler möglichst senkrecht verwenden! Dann verlängert man den Bereich, wo das Destillat sich noch nicht zu einem Rinnsal zusammengefunden hat. Ich hab mal Wasser destilliert und dabei den Winkel zwischen fast senkrecht und 45° mehrmals hin- und hergedreht. Bei fast senkrecht wurde das Destillat wesentlich kühler. An der Beobachtung gab es keinen Zweifel. Ein anderes Mitglied hat zwischen 10 und 45° getestet und auch einen Effekt bemerkt, wenn auch einen deutlich geringeren. Anscheinend ist der Effizienzgewinn von 10 auf 45° nicht so hoch wie der von 45° auf senkrecht.

Effizienter heißt übrigens nicht, daß man uferlos Wasser sparen könnte. Wenn 1l Destillat um 50°C abgekühlt werden, erwärmen sich zB 50l Kühlwasser dabei um 1°C. Denn:
1l x 50°C = 50l x 1°C
Daran führt kein Weg vorbei. Ein effizienterer Kühler allerdings schafft das Destillat um 50°C herunterkühlen aber mit weniger Wasser! Dieses Wasser wird dann allerdings beim Abkühlen heißer. Also zB:
1l x 50°C = 25l x 2°C
Eine effiziente Kühlung zeichnet sich also dadurch aus, daß das Kühlwasser den Kühler sehr heiß verlässt und das Destillat trotzdem kühl ist.
Genauso beim Kondensieren: Man kann die Energie nicht wegzaubern. Wenn soundsoviel Dampf kondensiert, fällt soundsoviel Energie an, und genau um diese Energie wird das Kühlwasser erwärmt.

Der Großteil der Erwärmung des Kühlwassers kommt übrigens vom Kondensieren. Ein Beispiel:
Es wird 1l Destillat mit 50vol% produziert. Das Destillat wird zudem auf 20°C herabgekühlt.
Es werden 20l Kühlwasser verwendet. Dieses erwärmt sich beim Abkühlen des Destillats nur um ca 2.8°C und dann weiter oben im Kühler beim Kondensieren um stolze 20°C. Der haupsächliche Temperaturanstieg des Kühlwassers findet also statt, kurz bevor es den Kühler wieder verlässt.
Da das Kühlwasser am Einlauf, also im Abkühlungsteil, meist recht kalt ist, kann man den Temperaturunterschied innen zu außen durch eine größere Kühlwassermenge kaum vergrößern (anders als beim Kondensieren, wo das Kühlwasser bei sparsamem Einsatz stark erwärmt wird). Eine größere Kühlleistung durch mehr Kühlwasser kommt also nur durch die dadurch höhere Kühlwassergeschwindigkeit und dem dadurch geringeren Widerstand zustande. Man kann also den Abkühlungsbereich durch Wasserverschwendung nicht so verkürzen wie den Kondensationsbereich.

Ein weiterer Faktor beim Abkühlen des Destillats ist die eventuell sehr geringe Temperaturdifferenz innen zu außen am Destillatausgang unten am Kühler. Bzw die immer geringer werdende Temperaturdifferenz im Laufe der Abkühlung. Diese hat zur Folge, daß die Abkühlung am Anfang des Abkühlungsbereichs oben kurz nach dem Kondensieren noch recht gut vonstatten geht, unten aber sehr viel Kühlerlänge für nur sehr wenig weitere Abkühlung nötig ist. Ein Destillat mit 15°C kaltem Kühlwasser von 90 auf 20 anstelle auf 25°C abzukühlen, also auf 5 anstelle 10°C Differenz zum Kühlwasser, benötigt einen viel längeren Kühler. Das bedeutet, zB 1.20m anstelle 1m Kühlerlänge ergeben in der Praxis wahrscheinlich nur einen Unterschied, wenn das Kühlwasser so sparsam eingesetzt wird, daß das Destillat relativ heiß herauskommt. Was wiederum recht schwer einzustellen ist, da man dann doch recht plötzlich in den Bereich kommt, wo Dampf aus dem Kühler kommt. Denn (siehe weiter oben) die Abkühlung "verbraucht" viel weniger Wasser als die Kondensation. Wenn der 1m lange Kühler aber gut versorgt wird, sodaß das Destillat normal kühl ist, werden die 20cm mehr kaum was bringen.


tldr:
- Man sollte den Liebig möglichst senkrecht bauen.
- Man sollte einen möglichst dünnen Spalt zwischen Innen- und Außenrohr haben.
- Eine Abkühlung bis in die Nähe der Kühlwassertemperatur braucht sehr viel Länge.
- die Kühlwassermenge kann über einen gewissen Punkt hinaus nicht verringert werden.

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Hügelwilli
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Re: Was genau passiert in einem Liebigkühler?

Beitrag von Hügelwilli » 5. Jul 2019, 10:04

Hier liegen auch die Gründe, warum wir keinen Rechner zur Dimensionierung von Liebigkühlern anbieten können.

Wir schaffen es zwar wahrscheinlich genau genug, sowohl für den Kondensations- als auch den Abkühlungsbereich, die je drei Wärmewiderstände zu berechnen, was an sich schon nicht gerade leicht war. Aber welche Fläche bei der Abkühlung vom Destillat genutzt wird, ist leider nur durch sehr viele Messungen rauszufinden. Selbst bei einem vertikalen Kühler läuft das Destillat irgendwann in einem oder mehreren Rinnsale die Rohrwand herunter. Wie groß ist der Effekt, daß das Kondensat durch die Dampfgeschwindigkeit beschleunigt wird, auf die Größe der benetzten Fläche? Für solche Fragen findet man keine Formeln, man kann nur messen, was der Kühler erreicht, also welche Abkühlung, und daraus und aus den errechneten Wärmewiderständen versuchen, auf die benetzte Fläche zu schließen. Das mit möglichst vielen verschiedenen Kühlern und möglichst vielen verschiedenen Einstellungen, denn doppelter Liebig bedeutet nicht doppelte Fläche, und daher doppelte Heizleistung nicht, daß der Kühler doppelt so lang sein muss oder doppelt so viel Kühlwasser braucht.

Wir bräuchten mindestens 4 Kühler (2 verschiedene Durchmesser, je zwei verschiedene Längen) und müssten mit ihnen mit mindestens 2 Leistungen und mindestens 4 Neigungswinkeln mit mindestens 2 verschiedenen Kühlwasserenstellungen Messungen machen. Also 4 x 2 x 4 x 2 = 64 Messungen machen. Diese Messungen sind nicht einfach. Man muss die Kühlwassereinstellungen reproduzieren können, also zB wenn beim nächsten Versuch das Leitungswasser kälter ist, weil gerade alle Nachbarn Wäsche waschen, ist das nicht mehr genau. Oder wenn es eine starke Luftdruckveränderung gibt, dadurch der Siedepunkt anders und dadurch die Temperaturdifferenz zum Kühlwasser nicht mehr dieselbe ist.

Nun könnte man aber ja wenigstens die nötige Mindestlänge berechnen. Also die Länge, bei der zumindest alles kondensiert, wenn auch das Destillat dann noch heiß ist. Denn die Kühlfläche beim Kondensieren lässt sich ja ganz einfach berechnen (Durchmesser x Pi x Länge). Und die drei Widerstände bekommen wir auch hin. Nun ist es aber nicht so, daß das ein vollkommen statischer Vorgang ist. Sondern je nach Bauweise gibt es starke Fluktuationen der Dampfgeschwindigkeit und der Dampfmenge zB durch Siedeverzüge, platzende Gasblasen, und sich dadurch aufschaukelnde Schwingungen. Dadurch würde aus einem "korrekt" dimensionierten reinen Kondensator doch regelmäßig etwas Dampf entweichen und dazwischen das Destillat aber auch etwas abgekühlt werden. Mit so einem Rechner wäre einem also nicht viel geholfen.

Und bei der Dimensionierung ist ja nicht nur die Länge entscheidend, sondern zB auch der Durchmesser. Ein hoher Durchmesser reduziert das Aufschaukeln von Schwingungen. Und das muss in einem Gesamtpaket gesehen werden. Im Endeffekt helfen nur Erfahrungswerte bzw Empfehlungen wie hier.

Andererseits ist es ja nicht so heikel. Irgendwie funktionieren die meisten Liebigs dann ja doch. Die meisten stört es ja nicht, wenn das Destillat dann doch etwas wärmer oder der Kühlwasserverbrauch doch etwas höher ist als anfangs erwünscht.

hefezelle
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Re: Was genau passiert in einem Liebigkühler?

Beitrag von hefezelle » 9. Jul 2019, 14:09

Super übersichtliche und verständliche Zusammenfassung eines sehr komplizierten und schwierigen Sachverhalts, danke für diese tolle Erklärung! :bravo:

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derwo
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Re: Was genau passiert in einem Liebigkühler? Neigungswinkel

Beitrag von derwo » 23. Jul 2019, 09:26

Hier noch ein paar Messdaten bezüglich des Neigungswinkels:

1. Ergebnisse von mir:
Ich habe Wasser destilliert und den Winkel des Liebigkülers dabei ein paar von ca 45° auf ca 85° hin und her gewechselt:
Winkel Destillattemperatur
85° 26.8°C
45° 31.5°C
85° 25.3°C
Hier war eine kurze Unterbechung, wo ich die Destille aber habe einfach weiterlaufen lassen.
Winkel Destillattemperatur
85° 24.4°C
45° 27.9°C
85° 23.2°C
45° 28.7°C
85° 24.6°C
45° 27.3°C
85° 23.3°C
Die Temperatur des Kühlwassers (Leitungswasser) war am Ende so 20-21°C. Anfangs wahrscheinlich etwas wärmer. Das Kühlwasser hat den Kühler stark dampfend verlassen. Ich hatte versucht, möglichst wenig Wasser zu nehmen. Ich hab immer recht schnell nach der Winkelveränderung gemessen. Es ist nicht unbedingt alles ideal gewesen. Aber um absolute Werte ging es mir nicht, sondern um einen ersten Eindruck. So 4-5°C ist der Unterschied 45° gegen 85°. Bzw die Differenz der Destillattemperatur zur Kühlwassertemperatur wurde etwa halbiert. Das ist eine riesige Effizienzsteigerung.

2. Ergebnisse von einem anderen Mitglied:
Er hat zwischen 4° und 30° gemessen:
Winkel Temperaturdifferenz Destillat und Kühlwasser
10.5°C
10° 8.1°C
30° 5.2°C
Also auch in diesem Bereich ist der flache Kühler deutlich schwächer.

3. Weitere Ergebnisse vom anderen Mitglied:
Winkel Temperaturdifferenz Destillat und Kühlwasser
10° 0.3°C
20° 0.3°C
25° 0.2°C
30° 0.2°C
40° 0.2°C
45° 0.2°C
50° 0.25°C
Im Prinzip dasselbe Ergebnis. Der Kühler war allerdings sehr unterfordert (großer Kühler, viel Kühlwasser, wenig Heizleistung).
Winkel Temperaturdifferenz Destillat und Kühlwasser
10° 1.2°C
20° 0.8°C
25° 0.8°C
30° 0.7°C
40° 0.7°C
45° 0.7°C
50° 0.6°C
Auch hier ist steil deutlich besser.
Winkel Temperaturdifferenz Destillat und Kühlwasser
10° 5.25°C
20° 4.95°C
25° 5.1°C
30° 5.15°C
40° 5.5°C
45° 5.75°C
50° 6.1°C
Sehr seltsame Ergebnisse. Passen nicht zu den anderen. Wir haben es nicht rausgefunden, was da passiert war.

4. Weitere Ergebnisse vom anderen Mitglied:
Das sind wohl von allen die am saubersten gemessenen Daten.
Winkel Temperaturdifferenz Destillat und Kühlwasser
90° 0°C
86° 0°C
82° 0.3°C
78° 0.7°C
74° 0.9°C
70° 1.3°C
60° 2.4°C
45° 4.3°C
Eindeutiges Ergebnis. Allerdings auch hier ist der Kühler für die Leistung wohl größer als nötig.


Das bedeutet, mit einem sehr steilen oder senkrechten Kühler spart man Kühlerlänge. Ein flacher Kühler muss deutlich länger sein, um das Destillat auf dieselbe Temperatur herabzukühlen. Wem es wichtig ist, daß das Destillat halbwegs auf die Temperatur des Kühlwassers abgekühlt wird, sollte den Kühler daher möglichst steil haben. Wem es primär nur auf das Kondensieren ankommt, kann auch einen flachen Winkel wählen.

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