Dr.-Ing. Marta Cortina Díaz
Titel der DissertationFlow Boiling Heat Transfer in Narrow Channels
Verteidigung am29.07.2008,
Gutachter
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Kurzfassung Die Verdampfung in Mini- und Mikrokanälen gewinnt an Bedeutung in Verbindung mit zunehmenden Anforderungen der Industrie hinsichtlich Kompaktheit und Leistungsfähigkeit der Apparate. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung der Verdampfung und der zweiphasigen Strömung in engen Kanälen. Dafür wurden drei unterschiedliche Testsektionen eingesetzt, ein rechteckiger Kanal und zwei konzentrische Ringspalte mit Spaltweiten von 300 µm bzw. 500 µm. Die Verwendung unterschiedlicher Geometrein erlaubt Untersuchungen zur Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Basis der Ähnlichkeitstheorie. Die elektrisch direkt beheizten Testsektionen sind aus Inconel 600 und ermöglichen die Aufprägung einer näherungsweise konstanten Heizflächenbelastung. Für die Bestimmung der lokalen Wärmeübergangskoeffizienten werden die Außenwandtemperaturen mittels Infrarotthermografie mit hoher Orts- und Zeitauflösung bestimmt. Dies ermöglich systematische Untersuchungen zum instationären Verhalten sowie die Bestimmung der notendigen Messzeiten für die Mittelung der Wandtemperaturen und die Bestimmung repräsentativer Wärmeübergangskoeffizienten. Die kontinuierliche Erfassung der Temperaturverläufe für die gesamte Testsektion gestattet eine sehr gute Abgrenzung der verschiedenen Siederegime und deren Zuordnung zu den Verläufen der Wärmeübergangskoeffizienten. Zur Aufklärung der Phänomene, die die beobachteten unterschiedlichen Trends in den Verläufen der Wärmeübergangskoeffizienten über dem Dampfgehalt x bestimmten, ist eine Visualisierung der Zweiphasenströmung wünschenswert. Hierzu wurden auf Basis der Ringspaltgeometrie zwei neue Testsektionen entwickelt, die unter vergleichbaren Wärmeübergangsbedingungen die Ermittlung lokaler Wärmeübergangskoeffizienten und die Visualisierung mittels Hochgeschwindigkeitsvideotechnik ermöglichen. In dieser Weise gelingt eine gezielte Verknüpfung der Wärmeübergangsergebnisse mit den verschiedenen Siederegimen und Formen der Zweiphasenströmung. Als Testfluide wurden Ethanol, n-Hexan, n-Oktan und ein n-Hexan/n-Oktan-Gemisch im Hinblick auf die Verdampfung von Kraftstoffen untersucht. In systematischen Versuchsreihen wurden die Wandwärmestromdichte und die Massenstromdichte variiert. Die Ergebnisse zeigen Unterschiede im instationären Verhalten der verschiedenen Stoffsysteme sowie in den Trends der Wärmeübergangskoeffizienten α(x) in Verbindung mit den Betriebsparametern. Aus der Visualisierung werden drei charakteristische Strömungsregime und eine entsprechende Strömungskarte für den untersuchten Parameterbereich abgeleitet. Insbesondere wurde für Dampfgehalte x > 0,1 keine Blasenbildung mehr beobachtet. In der Diskussion werden die Visualisierungen mit den Ergebnissen des Wärmeübergangs verknüpft, und die Ursachen für den Wechsel der Abhängigkeiten α(x) von steigender zu fallender Tendenz können aufgezeigt werden.
Wechsel zu
BASF, Ludwigshafen