LEHRSTUHL FÜR

TECHNISCHE THERMODYNAMIK

Kurzfassung

Die Forderungen hohe Wärmestromdichten zu realisieren, Bauteile bei definierten Temperaturen zu kühlen sowie den Einsatz von gefährlichen oder giftigen Medien zu minimieren, führt bei gleichzeitigen Entwicklungen hin zu immer kleineren Apparaten zum verstärkten Einsatz von Miniaturverdampfern. Die daraus resultierende wirtschaftliche Bedeutung hatte in den letzten Jahren einen sprunghaften Anstieg der wissenschaftlichen Untersuchungen zur Folge.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse des axialen Wärmeübergangskoeffizienten und zwar insbesondere auch in Abhängigkeit von den Formen der Zweiphasenströmungen in miniaturisierten Koaxialrohren. Der Ringspalt zwischen beiden Rohren fungiert als Verdampferkanal, in dem das Testmedium n-Hexan vertikal aufwärts strömt.

Während der Wärmeübergangsmessungen wird das metallische Außenrohr elektrisch direkt beheizt und mittels einer Infrarot-Kamera das axiale Wandtemperaturprofil ermittelt. Das Innenrohr besteht aus Borosilikatglas. Die Ermittlung der Formen der Zweiphasenströmung erfolgt mit einer Hoch-Geschwindigkeits-Kamera. Hierbei ist die Anordnung der Rohre vertauscht, so dass das innere metallische Rohr elektrisch direkt beheizt und das äußere Glasrohr diatherman für sichtbares Licht ist.

Die Variation der Spaltweite, s=0,5mm, s=1mm, s=1,5mm, ermöglicht unter Beachtung der geometrischen Ähnlichkeit die Analyse des Einflusses der charakteristischen Länge des Ringspaltes.

Die Versuchsplanung und -auswertung erfolgt wegen der Komplexität des Siedeprozesses und der Vielzahl der Einflussgrößen mit der Design of Experiments-Methode. Untersucht wird der Einfluss der charakteristischen Länge und der Betriebsparameter Wärmestromdichte=30..210kW/m², Massenstromdichte=30..600kg/(m²s), Strömungsdampfgehalt=0,2..0,7 sowie Unterkühlungseintrittstemperatur=20..60K und der Strömungsformen.

Die experimentellen Analysen bestätigen den Trend steigender Wärmeübergangskoeffizienten bei abnehmender charakteristischer Länge des Verdampferkanals. Die Variation der charakteristischen Länge wirkt sich sensibel auf die Abhängigkeiten des axialen Wärmeübergangskoeffizienten von den Betriebsparametern aus.

Fünf wesentliche Strömungsregime lassen sich identifizieren: die isolierte Blasenströmung (IB), koaleszierende Blasenströmung (KB), Propfenströmung (P), Strähnen-Ring-Strömung (SR) bzw. Wirbel-Ring-Strömung (WR) sowie die intermittierende Ringströmung (IMR). Die Übergänge der Strömungsformen werden in Abhängigkeit vom Strömungsdampfgehalt und Massenstromdichte quantifiziert. Die Modellierung des axialen Wärmeübergangskoeffizienten lässt sich unter Verwendung dieses Kenntnisstandes über die Zweiphasenströmung physikalisch fundiert regimeintern vornehmen. Entsprechende Korrelationen des Wärmeübergangskoeffizienten werden in Abhängigkeit der Betriebsparameter erstellt.

Die Analyse der Einflüsse der Parameter Wärmestromdichte, Massenstromdichte, Unterkühlungseintrittstemperatur und Strömungsdampfgehalt auf Niveau und Trend des axialen Wärmeübergangskoeffizienten zeigt beim Minikanal s=0,5mm exemplarisch für zunehmende Wärmestromdichten steigende Wärmeübergangskoeffizienten in den Strömungsformen IB, KB, P, und SR aber sinkende $\alpha$-Werte in der IMR. Der Wechsel von Ringströmungsphasen und Flüssigkeits-Dampf-Wolken mit lokalen Austrocknungen des Wandfilms in der Ringströmungsphase verursachen den Trend fallender Wärmeübergangskoeffizienten bei steigenden Wärmestromdichten in der IMR.

Nach längeren Betriebspausen der Verdampfer wurden zeitliche Driften des Wärmeübergangskoeffizienten registriert, welche in Abhängigkeit von Betriebs- und Pausenzeiten dokumentiert wurden. Zur Quantifizierung dieses Effekts sind weitere systematische Untersuchungen notwendig.