Untersuchung des Einflusses von Rohrstrukturierungen und Drahtgestrickeinbauten auf die Naturumlaufverdampfung (Volume 19) (English shop)

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Inhalt dieser Arbeit ist der Einfluss eines Drahtgestrick-Inserts sowie eines innenberippten Rohrs auf die Fluiddynamik sowie den Wärmeübergang bei der Naturumlaufverdampfung. Hierzu wurden experimentelle Untersuchungen in zwei Versuchsanlagen durchgeführt. Zur Ermittlung des ein- und zweiphasigen Wärmeübergangs sowie des zweiphasigen Druckverlusts wurde ein dampfbeheizter Einrohr-Naturumlaufverdamper der Geometrie da x s x LVR = 20 × 2 × 1500 mm verwendet. Als Versuchsmedien dienten Wasser und ein Wasser-Glycerin Gemisch; die Beheizung erfolgte mantelseitig mit kondensierendem Wasser- bzw. Hexanoldampf. Ergebnisse zum einphasigen rohrseitigen Wärmeübergang wurden sowohl im Zwangsumlaufbetrieb für die gesamte Rohrlänge als auch in der Aufheizzone im Selbstumlaufbetrieb gewonnen. Die Ermittlung des zweiphasigen Wärmeübergangs und Druckverlusts erfolgten in der Verdampfungszone mit Naturumlauf. Variiert wurden beim Naturumlauf der Betriebsdruck, die treibende Temperaturdifferenz sowie der scheinbare Flüssigkeitsstand. Die Ermittlung ein- und zweiphasiger Druckverluste erfolgte an einer unbeheizten Fluiddynamikanlage mit Versuchsrohren der gleichen Geometrie. Mit Verwendung des innenberippten Kupferrohrs wurde eine signifikante Steigerung des rohrseitigen Wärmeübergangs vor allem in der Verdampfungszone gegenüber dem Referenzrohr aus glattem Edelstahl festgestellt. Aufgrund der starken Wärmeübergangsverbesserung in der Verdampfungszone weist das innenberippte Kupferrohr eine starke Abhängigkeit der integralen Wärmestromdichte von der Flüssigkeitsunterkühlung am Verdampferrohreintritt auf. Niedrige scheinbare Flüssigkeitsstände und große Betriebsdrücke führen aufgrund einer langen Verdampfungszone zu großen Wärmeübergangskoeffizienten. Der Umlaufstrom liegt für das innenberippte Rohr in einer ähnlichen Größenordnung wie der des Glattrohrs. Bei Verwendung des untersuchten Drahtgestrick-Inserts treten gegenüber dem Glattrohr signifikant größere Druckverluste auf, was insgesamt zu geringeren Umlaufgeschwindigkeiten führt. Im Vergleich zum Glattrohr ist eine Verbesserung des Wärmeübergangs sowohl in der Aufheiz- als auch in der Verdampfungszone festzustellen. Hierdurch weisen die integralen Wärmestromdichten keine signifikante Abhängigkeit vom scheinbaren Flüssigkeitsstand auf. Das Insert ist daher vor allem bei einer starken Flüssigkeitsunterkühlung am Verdampferrohreintritt vorteilhaft. Etablierte Korrelationen wurden an die Messdaten angepasst, um eine Vorausberechnung der Naturumlaufverdampfung bei Nutzung der Turbulenzpromotoren zu ermöglichen. Ein Vergleich der Messergebnisse mit Daten eines iterativ, segmentweise rechnenden Simulationsprogramms zeigen qualitativ eine gute Übereinstimmung, wohingegen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen quantitativ Unterschiede auftreten. Während die ermittelten Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang und Druckverlust die Messwerte gut wiedergeben können, ist im zweiphasigen Bereich eine Verbesserung der Berechnungsgleichungen wünschenswert.