Dr.-Ing. Zhivko Zhekov

Titel der Dissertation

Verdampfung von Kohlenwasserstoffen im Minikanal

Verteidigung am

10.11.2006,
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Gutachter

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmidt
Prof. Dr.-Ing. D. Steinbrecht

Kurzfassung

Die Verdampfung flüssiger Kohlenwasserstoffe in zwangsdurchströmten Apparaten der chemischen Industrie, Kältetechnik, Automobil - und Lebensmittelindustrie u. a. ist wegen ihrer Bedeutung und physikalischen Komplexität ein intensiv untersuchter Prozess. Die Untersuchungen konzentrieren sich dabei insbesondere auf die sog. Konventionell dimensionierten Verdampfer: Kanäle (l_ch ≥ 3 mm), die in der Technik bisher vorherrschen. Für solche Kanalabmessungen stehen Auslegungsgleichungen zur Verfügung, die durch umfangreiches experimentelles Datenmaterial empirisch hinreichend genau abgesichert sind. Für charakteristische Kanalabmessungen, die im Bereich der Mini - und Mikrosystemtechnik unter der Grenze von ca. 3 mm liegen, gibt es seit etwa 20 Jahren eine zunehmende Zahl von Forschungsarbeiten, die sich mit der Aufklärung der Verdampfungsgesetze unter Miniaturkanalbedingungen befassen. Dabei ist festzustellen, dass sich die veröffentlichten Ergebnisse quantitativ und zum Teil auch qualitativ unterscheiden. Speziell im Bereich der Gemischverdampfung sind nur einzelne Untersuchungen bekannt, so dass eine fundierte wärmetechnische Auslegung von Kompaktverdampfern derzeit nicht vorgenommen werden kann. Die Arbeit befasst sich daher mit der experimentellen Analyse des Wärmeübergangs beim Sättigungssieden im Minikanal. Die Auswahl der Testmedien orientiert sich an wesentlichen Komponenten organischer Energieträger und von Benzinersatzstoffen, wobei eine gezielte Variation wichtiger Einflussgrößen erreicht werden soll. Insofern wird zunächst die Verdampfung ausgewählter reiner Kohlenwasserstoffe untersucht, bevor dann das Strömungssieden von Kohlenwasserstoffgemischen analysiert wird. Experimentell ermittelt werden die Wärmeübergangskoeffizienten der Zweiphasenströmung in einem Kapillarrohr. Dessen Wand wird elektrisch direkt beheizt, so dass die Verdampfung näherungsweise bei der Randbedingung q = const erfolgt. Die Ermittlung der Wandtemperatur erfolgt verzögerungs -, berührungs - und rückwirkungsfrei sowie axial kontinuierlich mit einer thermografischen Messmethode, die bereits erfolgreich in vorangegangenen Forschungsarbeiten eingesetzt worden ist. Die Analyse des axialen Verlaufs des Wärmeübergangskoeffizienten ermöglicht die Abgrenzung der Siedebereiche und die Deutung der Siedemechanismen. Letztere unterscheiden sich prinzipiell im Vergleich der reinen Kohlenwasserstoffe mit den Kohlenwasserstoffgemischen. Die Abhängigkeit der experimentell ermittelten Wärmeübergangskoeffizienten von der Wärmestromdichte, vom Strömungsdampfgehalt und von der Massenstromdichte sowie von den Stoffeigenschaften wird durch geeignete empirische Korrelationen beschrieben. Das für reine Kohlenwasserstoffe formulierte Modell lässt sich im Fall der Gemischverdampfung binärer Systeme physikalisch begründet modifizieren und verifizieren. Die Anwendung dieses Modells auch für die Beschreibung der Wärmeüberganskoeffizienten beim Strömungssieden von ternären und quarternären Gemischen wurde durch experimentelle Ergebnisse bestätigt. Die Ergebnisse der gefundenen Korrelationen werden mit Ergebnissen bekannter Korrelationen für normal dimensionierte Verdampferkanäle verglichen.

Wechsel zu

Wärmetechnik Quedlinburg, Quedlinburg