Messung zur Hydrodynamik und zum Wärmetransport bei der Filmverdampfung

• Main Author: Helbig, Klaus
• Format: Others
• Language: German; German; de
• Published: 2007
• Online Access: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/867/1/DISSHelbig1.pdf; https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/867/2/DISSHelbig2.pdf; Helbig, Klaus <http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/view/person/Helbig=3AKlaus=3A=3A.html> (2007): Messung zur Hydrodynamik und zum Wärmetransport bei der Filmverdampfung.Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000867 <http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000867> <official_url>],[Ph.D. Thesis]

In vielen technischen Anwendungen werden Flüssigkeitsfilme verdampft oder verdunstet. Fallfilmverdampfer sind in der Verfahrenstechnik weit verbreitet. Trotz der vielen Anwendungen ist noch wenig über die Wärme- und Stofftransportmechanismen bei welligen Flüssigkeitsfilmen bekannt. Ziel der Untersuchung war es, das grundlegende Verständnis von der Filmströmung und der Filmverdampfung zu erweitern. Die Ergebnisse der Arbeit können als Grundlage zur Validierung neu zu erarbeitender mathematischer Modelle genutzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Versuchsstand zur Untersuchung der Hydrodynamik von isothermen, verdampfenden und verdunstenden welligen Flüssigkeitsfilmen und gasseitig schubspannungsgetriebenen Filmen aufgebaut. Ein Vergleich verschiedener Film- und Wellenparameter wurde auf der Außenseite einer unstrukturierten Rohroberfläche und einer mit dreieckigen Längsrillen strukturierten Rohroberfläche durchgeführt, auf denen der Flüssigkeitsfilm strömte. Diese Oberflächen-strukturen wurden bei den Versuchen eingesetzt, da theoretische Untersuchungen eine Stabilisierung der Filmströmung und eine Verbesserung des Wärmetransports vermuten ließen. Für die hydrodynamischen Untersuchungen wurden mittels einer entwickelten Bildverarbeitung und daran anschließender Auswertealgorithmen folgende charakteristische Film- und Wellenparameter berechnet: Filmdicke, Wellenamplitude, Wellengeschwindigkeit, Wellen- und Periodenlänge, Wellenfrequenz und Oberflächenverhältnis. Weiterhin wurden verschiedene Messmethoden zur Bestimmung der Filmdicken und Filmstrukturen erprobt. Zeit- und ortssynchrone Messungen der Filmdicke durch zwei physikalisch unterschiedliche Messmethoden ergaben in breiten Reynolds-Zahlenbereichen eine sehr hohe Übereinstimmung. Korrelationen für die gemessenen Filmdicken und Wellengeschwindigkeiten an der unstrukturierten und strukturierten Rohroberfläche wurden erarbeitet. Die Messergebnisse der mittleren Filmdicken für die unstrukturierte Rohroberfläche stimmen mit den Ergebnissen anderer Autoren in hohem Maße überein. Messungen des Wärmetransports fanden an beheizten Wänden mit und ohne Gasströmung bei verschiedenen Temperaturen der Wand, der Gas- und der Flüssigkeitsströmung bei verschiedenen Systemdrücken statt. Dabei verdunstete oder verdampfte der Flüssigkeitsfilm teilweise. Bei der verwendeten Wandstruktur zeigte sich ein erhöhter Wärmetransport, der insbesondere bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten auftrat. Im Vergleich zur unstrukturierten Rohroberfläche nahm der Anteil des Basisfilms an der gesamten Filmströmung zu. Dabei konnte eine bis zu 40 % höhere Wärmestromdichte gemessen werden, die auf den größeren Anteil des dünnen Basisfilms zurückgeführt wird. Die Verdampfung oder Verdunstung des welligen Films wird durch Vergrößerung der freien Oberfläche, zunehmende Turbulenz durch die Gasströmung und Bereiche dünner Filme zwischen den Wellenbergen begünstigt. Der Wärmetransport war bei hohen Gasgeschwindigkeiten bei den unstrukturierten Rohroberflächen größer als bei den strukturierten. Dieser Effekt wird auf die größere Turbulenz im welligen Film und die größere Filmoberfläche zurückgeführt.