Was genau passiert in einem Liebigkühler?
Verfasst: 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.
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.