Dropwise condensation of humid air at polymer surfaces
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde der bei der Kondensation von Wassertropfen auftretende Wärmeübergang experimentell und anhand eigens entwickelter Modelle untersucht. Die Kondensation erfolgte aus feuchter, in einem Kanal strömender Luft heraus und fand auf einem mit Polyethylen beschichteten Teilbereich der senkrechten Kanalwand statt, der definiert unterkühlt werden konnte. Polyethylen besitzt eine entsprechend niedrige freie Oberflächenenergie, sodass die Kondensation auf dessen Oberfläche tropfenförmig, als sogenannte Tropfenkondensation, ausprägt ist. Die bisherige Erforschung der Kondensation aus feuchter Luft erfolgte vor allem für den Modus der Filmkondensation. Wärmeübergangskoeffizienten wurden in Abhängigkeit von Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und Wasserbeladung der Luft, sowie von der Temperaturdifferenz zwischen Luft und Polyethylenoberfläche bestimmt und in dimensionsloser Weise mit diesen Größen korreliert. Im Vergleich zur Filmkondensation konnten deutliche Verbesserungen, bis hin zu einer Verdoppelung des Wärmeübergangskoeffizienten ausgemacht werden. Verantwortlich dafür ist vor allem die von den Tropfen geschaffene Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche, sowie die von großen Tropfen verursachte Verwirbelung in der Strömungs- und Temperaturgrenzschicht. Je größer die Tropfen auf der Oberfläche ausgeprägt sind, desto deutlicher ist dabei die Verbesserung gegenüber der Filmkondensation. Der mit der Tropfengröße ebenfalls ansteigende Wärmeleitwiderstand des Kondensats spielt offensichtlich eine untergeordnete Rolle. Dieser Befund steht im Gegensatz zum Fall der Kondensation aus reinem Wasserdampf (ohne Luftanteil), wo steigende Tropfengrößen mit fallenden Wärmeübergangskoeffizienten einhergehen. Die entwickelten Korrelationsgleichungen berücksichtigen den Effekt der Größe der Tropfen und lassen durch eine überwiegend dimensionslose Formulierung die Übertragung der gewonnenen Ergebnisse auf andere Geometrien und Randbedingungen zu. Eine Ausweitung der hier entwickelten Ansätze, hin zu Berechnungsgleichungen für Kunststoffwärmeübertrager, ist vorstellbar, setzt jedoch weitergehende experimentelle Untersuchungen im technischen Maßstab voraus. Neben den experimentellen Arbeiten wurde die Tropfenkondensation aus feuchter, strömender Luft einer umfassenden Modellierung unterzogen. Ausgehend von einem für das Wachstum des solitären Einzeltropfens entwickelten Modells, wurde der Gesamtprozess durch eine zeitlich und örtlich parallele Implementierung abgebildet. Eine Gegenüberstellung von so berechneten Wachstumsraten mit experimentellen Daten zeigte, dass die Wachstumsraten von im Verbund wachsenden Tropfen verglichen mit denen des Einzeltropfens deutlich reduziert sind. Bedingt ist dies durch eine Überlappung der Konzentrationsgrenzschichten und der damit verbundenen Reduzierung der stofflichen Triebkräfte. Der Grad der Herabsetzung ist hierbei abhängig von Größe und Positionierung des jeweiligen Tropfens und der konkreten Anordnung der umgebenden Tropfen. Für kleine Tropfen in direkter Nachbarschaft zu großen kann das Wachstum nahezu vollständig zum Erliegen kommen. Berücksichtigt wird dieser Effekt durch ein eigens entwickeltes Verfahren, die Distributed Point Sink Method (DPSM). Mithilfe der DPSM kann in einer beliebigen Tropfenverteilung für jeden Tropfen ein Korrekturfaktor bestimmt werden, der die Herabsetzung des Wachstums gegenüber dem Einzeltropfen angibt. Im Gegensatz zu bisherigen Methoden besteht keine Begrenzung hinsichtlich der Tropfenanzahl und des Abstandes der Tropfen zueinander. Unter Einbeziehung der DPSM zeigen die modellierten Wärmestromdichten eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten.
Publications
- Convective Dropwise Condensation from Humid Air. Proc. 16th Intern. Heat Transfer Conf., IHTC-16 (2018), Beijing, IHTC16-21456
Eimann, F., Zheng, S, Philipp, C., Gross, U.
(See online at https://dx.doi.org/10.1615/IHTC16.cod.021456) - Convective Dropwise Condensation out of Humid Air inside a Horizontal Channel – Experimental Investigation of the Condensate Heat Transfer Resistance. Int. J. Heat and Mass Transfer 127 (2018) 448-464
Eimann, F., Zheng, S, Philipp, C., Fieback, T. Gross, U.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.08.015) - Modeling of heat and mass transfer for dropwise condensation of moist air and the experimental validation. Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 120, May. 2018, pp. 879-894
Zheng, S., Eimann, F., Philipp, C. ,Fieback, T., Gross, U.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.12.059) - Numerical Investigation of Convective Dropwise Condensation Flow by a Hybrid Thermal Lattice Boltzmann Method. Applied Thermal Engineering, Vol. 145, 2018, pp. 590-602
Zheng, S., Eimann, F., Philipp, C. ,Fieback, T., Gross, U.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.09.076) - Numerical study of the effect of forced convective flow on dropwise condensation by thermal LBM simulation, Proceedings of the 11th International Conference on Computational Heat, Mass and Momentum Transfer, Cracow, Poland, 21-24 May, 2018
Zheng, S., Eimann, F., Philipp, C. ,Fieback, T., Gross, U.
(See online at https://doi.org/10.1051/matecconf/201824001040) - Single Droplet Growth Model for Dropwise Condensation considering Non-Condensable Gas. Proc. 16th Intern. Heat Transfer Conf., IHTC-16 (2018), Beijing, IHTC16-22052
Zheng, S., Eimann, F., Philipp, C., Gross, U.
(See online at https://dx.doi.org/10.1615/IHTC16.cod.022052) - Dropwise Condensation in the Presence of Non-Condensable Gas: Interaction Effects of the Droplet Array Using the Distributed Point Sink Method. Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 141, 2019, pp. 34-47
Zheng, S., Eimann, F., Philipp, C. ,Fieback, T., Gross, U.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.06.068) - Single Droplet Condensation in Presence of Non-Condensable Gas by a Multi-Component Multi- Phase Thermal Lattice Boltzmann Model. Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol. 139, 2019, pp. 254-268
Zheng, S., Eimann, F., Philipp, C. ,Fieback, T., Gross, U.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.04.135) - The interaction effects between droplets condensing from moist air using a distributed point sink method, Proceedings of the 12th International Conference on Computational Heat, Mass and Momentum Transfer, Rome, Italy, 3-6 September, 2019
Zheng, S., Eimann, F., Philipp, C. ,Fieback, T., Gross, U.
(See online at https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912801005)
