Experimentelle Untersuchungen zur Strömung und Wärmeübertragung von Reinstoff-Fallfilmen mit hohen Prandtl-Zahlen (Band 3)

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In dieser Arbeit wurden Fluiddynamik und Wärmeübergang der Fallfilmverdampfung von Reinstoffen im Zustand der Oberflächenverdampfung und des beginnenden Blasensieden untersucht. Zur Verwendung kamen zwei unabhängige Einrohr-Anlagen: eine Anlage der Geometrie 50 × 5 × 1500 mm mit Überlaufwehr sowie eine Glasanlage der Dimensionen 48 × 2,3 × 1255 mm mit Turmwehr. Sie ermöglichten Strömungsuntersuchungen bis zu einer Prandtl-Zahl von 668 und Wärmeübergangsmessungen unter Verdampfungsbedingungen bis Pr = 130.
Die fluiddynamischen Ergebnisse zeigten, dass in beiden Anlagen deutlich abweichende Welligkeitsprofile im Film erzeugt werden, als dies bisher in der Literatur berichtet wird. Dies gilt insbesondere für die beheizte Hauptanlage (Verdampferanlage), die eine Steigerung der Welligkeit um den Faktor zwei erzielte. Das Wellenprofil war schon bei niedrigen Reynolds-Zahlen chaotisch und von unterschiedlich schnell ablaufenden, sich gegenseitig störenden Roll- bzw. Schwallwellen gekennzeichnet. An den Interferenzstellen und Wellenrücken ließen sich in bei den Anlagen lokale Turbulenzzonen identifizieren. Mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen wurden kritische Re-Zahlen für Änderungen des Strömungsprofils bestimmt. Die mathematische Beschreibung der Übergangsbereiche war sowohl mit der Filmkennzahl als auch mit der Prandtl-Zahl möglich.
Die Verdampfung der Reinstoffe erfolgte bei Gesamttemperaturdifferenzen bis 40 K. Die verwendete Hochgeschwindigkeitskamera erlaubte neben der qualitativen Beschreibung des Strömungszustandes auch die Analyse des Siedezustandes. Die Ergebnisse zum Wärmeübergang bei Oberflächenverdampfung zeigten bis Pr < 15 ein mit den Gleichungen des VDI-Wärmeatlasbeschreibbares Verhalten. Der Einfluss der Filmaufgabevorrichtung wurde erst oberhalb Pr = 15 deutlich. Es konnten stoffspezifische Werte für den Wärmeübergang gewonnen werden, die sich nur für kleine Reynolds-Zahlen von bekannten Modellgleichungen beschreiben ließen. Oberhalb der optisch identifizierten kritischen Reynolds-Zahlen stellte sich stets eine deutliche Verbesserung des Wärmeübergangs ein. Berechnungsvorschriften aus der Literatur konnten insbesondere für Pr > 30 nicht bestätigt werden. Vergleichsdaten mit identischen Versuchsstoffen oberhalb Pr = 40 fehlen, so dass für jeden Prandtl-Bereich stoffspezifische Berechnungsvorschriften entwickelt und überprüft wurden. Sie stützen sich auf die wesentlichen Kennzahlen Reund Pr. Die Berücksichtigung der Oberflächenspannung erwies sich als nicht erforderlich. Die Untersuchung des Übergangsbereichs zum Blasensieden zeigte ferner, dass bei vollständiger Rohrbenetzung ein gesicherter Betrieb bei Verbesserungen des Wärmeübergangs bis zum Faktor zwei möglich ist. Beginnendes Blasensieden wurde für Wandüberhitzungen im Bereich von ΔTeff = 5…11 K festgestellt, wobei die Werte bei steigender Viskosität zunahmen.
Für die Entwicklung einer gesicherten Erweiterung des Arbeitsbereichs wurden Vorschläge für weitere Untersuchungen mit Rohren technischer Geometrien und Materialien erarbeitet.